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部分组织基因组学分析
下一代测序(门店)的出现后,高通量的测量生物分子在组织,特别是RNA和DNA,发展迅速。这些组织水平基因组学的方法,通常被称为批量基因组学技术,使革命的方法研究正常生理过程和疾病。
然而,大部分基因组学方法有一个主要的限制:生物分子的数量需要作为输入限制分析RNA或DNA分离细胞组织的人群。这将导致损失的细胞决议执行批量时组织基因组学测量;主要缺点考虑到细胞组织和器官的功能单元,和不同的细胞表达高度特定签名的RNA,表观遗传标记和蛋白质。单细胞基因组学方法,如单个细胞RNA序列(scRNA-seq),包括标记生物分子来自单个细胞(图1),因此使高通量分子分析单细胞决议。
大部分和scRNA-seq之间的差异
大部分RNA序列(图1),组织基因表达水平的措施是单个细胞的平均表达谱。利用这种方法来比较一个假想的基因表达水平之间的“X”两个条件,一个可能的结论没有显著差异。scRNA-seq(底部)保存信息为每个RNA分子测量细胞的起源。使用scRNA-seq测量水平的基因“X”在同一组织和条件,可以得出这样的结论:表达基因“X”是摄动在一个特定的细胞类型,这种现象会掩盖了大部分测量。
分子读数和单细胞基因组学的应用
scRNA-seq是应用最广泛的单细胞基因组学方法,发展尤其迅速。
通过测量RNA分子成千上万的单个细胞1,scRNA-seq允许识别已知的小说类型的细胞和细胞状态转换在正常器官发展的调查和疾病。
“单细胞RNA序列是我们的首选技术识别转录组配置文件时的罕见的细胞类型不存在可靠的标记”,评论魏黄,博士后学者加州大学,旧金山,研究人类大脑神经胶质细胞类型在发展中。“使用scRNA-seq不需要净化一个先天的已知的细胞群,因为它们可以被发现在一个公正的方式基于单细胞基因表达谱”。
然而,阿森纳的单细胞基因组学不仅限于分析RNA。最近,努力测量单个细胞的表观遗传特征导致了许多新颖的技术的发展,如单细胞分析transposase-accessible染色质使用排序(scATAC-seq)。
scATAC-seq概要DNA区域的单个细胞,在所谓的“开放的国家”——表明这些地区被epigenetically激活。最近,scATAC-seq droplet-based测序相结合,允许的分析开放的染色质地区成千上万的单个细胞2。除了分析open-chromatin地区,针对调查其他努力DNA甲基化3和组蛋白修饰4在单个细胞。
结合scRNA-seq策略来理清复杂的细胞群
单细胞基因组学研究哺乳动物的器官系统的细胞类型
在过去的五年中,scRNA-seq一直利用发现的细胞和分子组成一系列哺乳动物的器官系统。
研究中枢神经系统(CNS)尤其是受益于单细胞基因组学方法由于中枢神经系统的各种细胞类型,对于许多目前没有可靠的标记。这些研究包括分析 发展人类大脑皮层 5 ,揭示了红衣主教的签名细胞类型和分子动力学在大脑皮层的发展过程中,和的 整个鼠标的中枢神经系统 6 ,产生一个全面的阿特拉斯的神经元和神经胶质细胞类型鼠标。
其他研究显示细胞类型的多样性 人类的肝脏 7 , 免疫系统 8 和 小鼠小肠 9 ,所有突出的各种居民各器官系统的免疫细胞。
研究细胞异质性的哺乳动物大脑并不仅限于scRNA-seq和包括 scATAC-seq分析发展中鼠标前脑 10 识别基因组监管引导大脑发育的元素,以及 单细胞DNA测序 11 人类大脑的组织,这表明,体细胞突变单一神经元可以利用追踪他们的发展谱系和预测对疾病的易感性。
“人类的大脑包含一个巨大的各种各样的细胞类型,其中许多我们缺乏可靠的标记,可用于隔离”黄说。“因此,人类的大脑是器官的单细胞基因组学的应用特别仪器。”
新颖的见解与单细胞基因组学人类疾病的机制。
单细胞基因组异质性不仅允许深入的组织和器官的正常发育和功能,但也使疾病过程的研究在特定的细胞类型。
的第一个人类疾病是接近使用单细胞基因组学方法是胶质母细胞瘤(GBM)多元化。 scRNA-seq GBM的分析 揭示分子和细胞异质性的癌症,包括细胞群表达具备干细胞的标记,因此可能代表了癌症干细胞。12
最近,的出现 single-nucleus RNA序列 13 (snRNA-seq)允许单细胞转录组分析的扩展人类疾病的组织不是获得生活。一个这样的研究 单细胞分析的分子病理学在孤独症谱系障碍患者的大脑 (ASD),这表明,特定类型的大脑皮层神经元可能更受更改影响与自闭症有关。14
另一个项目集中在不同的人类大脑疾病,多发性硬化症(MS)。应用snRNA-seq死后大脑组织样本的MS患者和健康对照组,一组科学家从加州大学旧金山,能够识别 基因表达的变化与进展相关的特定的细胞类型 。15
“谢谢这一创新技术,我们能够首次获得洞察不同的细胞在大脑皮层如何应对女士病变”,说卢卡斯Schirmer博士,研究两个主要作者之一。“这项研究的结果代表财富的潜在药物靶点,生物标记和关键病理女士机械的球员,我们跟进我的实验室”,Schirmer博士补充道。
在单个细胞组合分子分析
单细胞基因组学的最新趋势之一是获得多个分子的结合读数从成千上万的单个细胞。因此,单细胞的应用组合索引(sci)允许同时开放的染色质和RNA概要的分析单个细胞。
这项技术,创造了 sci-CAR (单细胞组合索引染色质可访问性和mRNA分析),允许研究人员联系转录组和open-chromatin概要文件在特定细胞类型的小鼠肾脏和识别细胞特定类型open-chromatin地区。16
另一种方法结合分析单个细胞的RNA和蛋白质抗原表位和发表在 两个 17 背靠背的 18 文章。这些方法使另一个层面的见解除了基因表达分析,使分析特定细胞类型的蛋白质含量在一个公正的方式,它提供了一个更直接的细胞功能。
单细胞基因组学领域正在以前所未有的发展速度,与正常的有机体的功能和疾病的新的见解机制已经得到了由于这些新技术。伸直,我们正在观察一个革命的基本生物学和转化问题是临近,和更令人兴奋的方法和发现会出现在不久的将来。
引用
1。Macosko,大肠z . et al。高度并行的单个细胞的全基因组表达分析使用只滴。单元161,1202 - 1214 doi: 10.1016 / j.cell.2015.05.002 (2015)。
2。Lareau, c . a . et al . Droplet-based组合索引为大规模单细胞染色质可访问性。生物科技Nat》37岁,916 - 924 doi: 10.1038 / s41587 - 019 - 0147 - 6 (2019)。
3所示。Karemaker,拿身份证& Vermeulen m .单细胞DNA甲基化分析:技术和生物应用。生物科技趋势》36,952 - 965 doi: 10.1016 / j.tibtech.2018.04.002 (2018)。
4所示。Ku, w . l . et al .单细胞染色质组蛋白的化学修饰immunocleavage测序(scChIC-seq)配置文件。Nat方法16,323 - 325 doi: 10.1038 / s41592 - 019 - 0361 - 7 (2019)。
5。Nowakowski, t . j . et al .基因表达时空轨迹揭示人类大脑皮层的发展层次。科学358年、1318 - 1323 . doi: 10.1126 /科学。aap8809 (2017)。
6。蔡塞尔,et al。分子老鼠神经系统的体系结构。单元174,999 - 1014。e1022, doi: 10.1016 / j.cell.2018.06.021 (2018)。
7所示。MacParland, s . a . et al .单个细胞RNA序列的人类肝脏显示肝内巨噬细胞种类不同。4383年Nat Commun 9日,doi: 10.1038 / s41467 - 018 - 06318 - 7 (2018)。
8。Stubbington, m . j . T。,Rozenblatt-Rosen, O., Regev, A. & Teichmann, S. A. Single-cell transcriptomics to explore the immune system in health and disease. Science 358, 58-63, doi:10.1126/science.aan6828 (2017).
9。哈伯,A . l . et al .单细胞小肠上皮细胞的调查。大自然551年,333 - 339 doi: 10.1038 / nature24489 (2017)。
10。Preissl, s . et al . Single-nucleus分析访问发展中细胞类型特异的转录调控小鼠前脑显示染色质。Nat > 432 - 439 . doi: 10.1038 / s41593 - 018 - 0079 - 3 (2018)。
11。Lodato, m . a . et al .体细胞突变在人类神经元发育和单一转录的历史。科学350年、94 - 98 . doi: 10.1126 /科学。aab1785 (2015)。
12。帕特尔,a . p . et al .单细胞RNA-seq强调在原发性胶质母细胞瘤瘤内异质性。科学344年、1396 - 1401 . doi: 10.1126 /科学。1254257 (2014)。
13。湖,比比et al .神经元亚型和多样性single-nucleus核糖核酸测序揭示的人类大脑。科学352年、1586 - 1590 . doi: 10.1126 /科学。aaf1204 (2016)。
14。d . et al .单细胞基因组Velmeshev识别细胞特定类型分子变化自闭症。科学364年、685 - 689 . doi: 10.1126 /科学。aav8130 (2019)。
15。Schirmer, l . et al .神经脆弱和multilineage多样性在多发性硬化症。自然,doi: 10.1038 / s41586 z - 019 - 1404 - (2019)。
16。曹,j . et al .染色质易访问性的联合分析,在成千上万的单个细胞基因表达。科学361年、1380 - 1385 . doi: 10.1126 /科学。aau0730 (2018)。
17所示。Stoeckius, m . et al。同时在单个细胞表位和转录组测量。Nat方法14,865 - 868 doi: 10.1038 / nmeth。4380 (2017)。
18岁。彼得森,v . m . et al .多路复用量化单个细胞的蛋白质和成绩单。生物科技Nat》35岁,936 - 939 doi: 10.1038 /电视台。3973 (2017)。
