单细胞基因组学技术的最新进展
单细胞基因组学及其与大体积组织基因组学分析的对比
在新一代测序技术(NGS)出现后，对组织中生物分子，特别是RNA和DNA的高通量测量迅速发展。这些组织水平的基因组学方法，通常被称为批量基因组学技术，使研究正常生物过程和疾病的方法发生了革命。
然而，批量基因组学方法有一个主要的限制:它们需要作为输入的生物分子的数量限制了分析从组织中的细胞群中分离出来的RNA或DNA。这导致在进行大量组织基因组学测量时失去细胞分辨率;考虑到细胞是组织和器官的功能单位，不同类型的细胞表达RNA、表观遗传标记和蛋白质的高度特异性签名，这是一个主要的缺点。单细胞基因组学方法，如单细胞RNA测序(scRNA-seq)，涉及标记源自单个细胞的生物分子(图1)，因此可以在单细胞分辨率下进行高通量分子分析。
bulk和scRNA-seq的区别
批量RNA测序(图1顶部)测量组织基因表达水平，即单个细胞的平均表达谱。通过使用这种方法来比较两种情况下假设的基因“X”的表达水平，人们可能会得出结论，两者没有显著差异。scRNA-seq(底部)保存了每个被测RNA分子的细胞起源信息。使用scRNA-seq在相同的组织和条件下测量基因“X”的水平，人们可能会得出结论，基因“X”的表达在特定的细胞类型中受到干扰，这一现象将在批量测量中被掩盖。
单细胞基因组学的分子读数和应用
scRNA-seq是目前应用最为广泛、发展最为迅速的单细胞基因组学方法。
通过测量RNA分子成千上万的单个细胞1scRNA-seq可以识别已知的和新的细胞类型，并研究正常器官发育和疾病期间的细胞状态转变。
“单细胞RNA测序是我们在识别没有可靠标记存在的罕见细胞类型的转录组谱时的首选技术”，评论道魏黄，他是加州大学旧金山分校的博士后学者，研究发育中的人类大脑中的神经胶质细胞类型。“使用scRNA-seq不需要净化一个先天的已知的细胞群，因为它们可以基于单细胞基因表达谱以无偏的方式被发现。”
然而，单细胞基因组学的武器库并不局限于分析RNA。最近，在单细胞中测量表观遗传特征的努力导致了许多新技术的发展，例如使用测序(scATAC-seq)对转座酶可达染色质的单细胞测定。
scATAC-seq分析了单细胞中处于所谓“开放状态”的DNA区域，表明这些区域被表观遗传激活。最近，scATAC-seq已被允许与基于液滴的测序相结合数千个单个细胞中开放染色质区域的分析2．除了分析开放染色质区域外，其他的努力是针对调查的DNA甲基化3.而且组蛋白修饰4在单细胞中。
结合scRNA-seq策略来解开复杂的细胞群
单细胞基因组学研究哺乳动物器官系统的细胞类型
在过去的五年中，scRNA-seq已被用于揭示一系列哺乳动物器官系统的细胞和分子组成。
中枢神经系统(CNS)的研究尤其受益于单细胞基因组学方法，因为CNS中的细胞类型多种多样，其中许多目前还没有可靠的标记。这些研究包括分析 发育中的人类大脑皮层 5 ，该研究揭示了新皮层发育过程中基本细胞类型和分子动力学的特征 老鼠的整个中枢神经系统 6 该研究生成了小鼠神经元和胶质细胞类型的全面图谱。
其他研究揭示了细胞类型的多样性 人类的肝脏 7 , 免疫系统 8 和 小鼠小肠 9 ，所有这些都强调了不同器官系统中的常驻免疫细胞的多样性。
哺乳动物大脑中细胞异质性的研究并不局限于scRNA-seq，包括 发育中的小鼠前脑scATAC-seq分析 10 以确定指导大脑发育的基因组调控元件，以及 单细胞DNA测序 11 这表明单个神经元的体细胞突变可以用来追踪它们的发育谱系并预测对疾病的易感性。
黄教授说:“人类大脑包含多种多样的细胞类型，对于其中许多细胞，我们缺乏可用于分离它们的可靠标记。”“因此，人类大脑是单细胞基因组学应用特别有用的器官。”
用单细胞基因组学对人类疾病机制的新见解。
单细胞基因组学不仅可以深入了解正常发育和功能中的组织和器官的异质性，而且还可以研究特定细胞类型的疾病过程。
第一个使用单细胞基因组学方法的人类疾病是多形性胶质母细胞瘤(GBM)。 GBM的scRNA-seq分析 揭示了这种癌症的分子和细胞异质性，包括表达干性标记的细胞群，因此可能代表癌症干细胞。12
最近，的出现 单核RNA测序 13 (snRNA-seq)使单细胞转录组学分析扩展到无法获得活组织的人类疾病。一项这样的研究 自闭症谱系障碍患者大脑分子病理学的单细胞分析 这表明大脑皮层中特定类型的神经元可能更容易受到与ASD相关的变化的影响。14
另一个项目专注于人类大脑的另一种疾病，多发性硬化症(MS)。将snRNA-seq应用于MS患者和健康对照者的死后脑组织样本，来自加州大学旧金山分校的一组科学家能够识别出 与MS进展相关的特定细胞类型的基因表达变化 ．15
“多亏了这项创新技术，我们第一次能够深入了解大脑皮层中不同类型的细胞对MS病变的反应”，他说卢卡斯Schirmer他是这项研究的两位主要作者之一。Schirmer博士补充说:“这项研究的结果代表了MS病理学中大量潜在的药物靶点、生物标志物和关键机制参与者，我们正在我的实验室中对其进行跟踪。”
单细胞的组合分子图谱
单细胞基因组学的最新趋势之一是从数千个单细胞中获得多个分子读数的组合。因此，单细胞组合索引(sci)的应用已经允许同时分析单个细胞的开放染色质和RNA谱。
这项技术被创造出来 sci-CAR (染色质可达性和mRNA分析的单细胞组合索引)，允许研究人员在小鼠肾脏的特定细胞类型中连接转录组和开放染色质谱，并识别细胞类型特异性的开放染色质区域。16
另一种方法结合了单细胞RNA和蛋白质表位的分析，发表在 两个 17 背靠背的 18 文章。除了基因表达谱之外，这些方法还可以提供另一个层次的见解，允许以无偏的方式分析特定细胞类型中的蛋白质水平，从而更直接地指示细胞功能。
单细胞基因组学领域正在以前所未有的速度发展，由于这些新技术，人们已经对正常机体功能和疾病的机制有了新的认识。毫无疑问，我们正在观察一场基础生物学和翻译问题研究方式的革命，在不久的将来会出现更多令人兴奋的方法和发现。
参考文献
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