2018單細胞測序應用領域突破性成果盤點

自2009年單細胞測序技術問世，2013年單細胞測序技術被Nature Methods評為年度技術以來，它越來越多被應用在科研領域。2015年以來隨著10X Genomics、Drop-seq、Micro-well、Split-seq等技術的出現，徹底降低了單細胞測序的成本門檻。自此單細胞測序技術被廣泛應用於基礎科研和臨床研究，相應成果也備受CNS青睞，文章如雨後春筍般頻頻出現在高分雜誌。2018年單細胞測序技術的研究成果涉及到腫瘤微環境、免疫治療，動植物胚胎發育，心血管疾病的發生發展機制等眾多領域，單細胞檢測新技術也是層出不窮，博奧晶典日前對該領域的突破與變革進行了盤點。

　　單細胞測序之腫瘤微環境

　　1. Nature及Nature Medicine兩連發：北京大學張澤民教授課題組重磅解析結直腸癌和肺癌免疫微環境

　　2018年6月、10月張澤民教授課題組分別在Nature Medicine和Nature發布重大研究成果，在單細胞水平繪製肺癌和結直腸癌T細胞免疫圖譜，揭示了肺癌和結直腸癌T細胞的亞群分類、組織分布特徵、腫瘤內群體異質性及藥物靶基因表達情況，鑑定了跨組織分布的T細胞類群及亞群間潛在的狀態轉換關係，這對於肺癌和結直腸癌的診斷和治療具有重大意義。

2. Cell：美國研究團隊繪製目前規模最大免疫細胞圖譜，探索乳腺癌免疫微環境

　　2018年8月23日，美國紀念斯隆-凱特琳癌症中心團隊，使用單細胞轉錄組測序，分析了人乳腺腫瘤以及配對的正常乳腺組織，外周血和淋巴結4個組織來源的共47016個免疫細胞的基因表達特徵。揭示腫瘤內淋巴細胞和髓系細胞的異質性，與正常乳腺組織相比表現出顯著的表型擴增。這種異質性通過各種環境刺激反應引起的組合基因的表達，且TCR的特異性參與了T細胞組合基因表達的形成。所觀察到的T細胞狀態的連續性變化顛覆了之前較少分化或激活離散狀態形成的腫瘤微環境的經典概念。

3. Cell：以色列研究團隊使用單細胞轉錄組測序揭示黑色素瘤腫瘤浸潤T細胞的轉錄組異質性和分化途徑

　　2018年12月，以色列Ido Amit實驗室李漢傑博士等通過對25名黑色素瘤患者腫瘤中免疫細胞的單細胞轉錄組測序和單細胞TCR測序分析，繪製黑色素瘤詳盡的免疫細胞圖譜。該研究發現儘管不同免疫細胞亞型存在於大多數患者中，但是它們的相對豐度在不同患者中存在很大差異。此外，儘管豐度不同，所觀察到的CD8T細胞的的分化途徑卻是高度保守的。

單細胞測序之人腦「中央處理器」

　　1. Nature：中國科學家王曉群等人首次解析人腦「中央處理器」，領先美國腦計劃

　　2018年3月，中國科學家團隊在國際頂級期刊Nature發表重要研究成果，研究團隊使用單細胞轉錄組測序分析了2300多個來源於8~26孕周、尚處於發育階段的人類前額皮質細胞。該研究明確了細胞構成、重構了這些神經細胞類型之間的發育譜系關係，比美國「腦計劃中的細胞圖譜部分」快了一步。 這為解答前額葉皮層如何參與「思考和思想形成」這一關鍵問題的後續研究提供了高精度的細胞圖譜，是前額葉皮層發育研究史上的重要突破和重大進展。

　　單細胞測序之細胞圖譜

　　自2017年，「人類細胞圖譜計劃」開展以來，2018年進展神速，3月，Sanger研究所官網宣布，完成了25萬個發育細胞測序。研究成果已經陸續Online，為我們後續使用單細胞測序開展研究提供了豐富的數據資源。

　　1. Science：7萬個腎組織單細胞測序數據，揭示腎癌細胞身份標籤

　　2018年8月10日，英國劍橋大學韋爾科姆基金會桑格學院研究所在Science發表題為「Single-cell transcriptomes from human kidneys reveal the cellular identity of renal tumors」的文章，該研究通過分析72501個腎組織細胞的轉錄組數據特徵，並結合了對應腎癌組織的全基因組測序數據，鑑別了正常的腎細胞和癌變的腎細胞，精確地解釋了人類腎癌各組分及對應的細胞特徵。

　　2. Nature：7萬個單細胞測序數據，繪製了人類妊娠6-14周胎盤最詳細細胞圖譜

　　2018年11月15日，英國劍橋桑格研究所的研究人員在Nature上發表了題為「Single-cell reconstruction of the early maternal–fetal interface in humans」的研究成果，該研究對妊娠早期(6~14周)胎盤的約7萬個細胞進行單細胞轉錄組測序並繪製了胎盤細胞圖譜，為理解人類妊娠早期胎盤的細胞組成和細胞通訊帶來了新見解。此外，這項研究還探索了對妊娠成功至關重要的維持生理環境穩定的機制。

　　該研究發現了個別細胞亞群的特化功能，並鑑定出了可能有助於使有害母體免疫反應最小化的調控互作。此外，該研究還鑑定出了蛻膜自然殺傷細胞(dNK，decidual natural killer)的三個主要亞群。在初次妊娠期間，dNK1亞群細胞與特定的胎盤細胞之間的互作可能使dNK1細胞能夠更加有效地應答再次妊娠時的胎盤植入。這些發現為理解早期妊娠提供了重要信息，對提高妊娠相關疾病的診療具有一定意義。

3. Cell：1500個樣品的單細胞測序數據，構建出人類迄今最詳盡免疫細胞圖譜

　　2018年11月15日，美國拉霍亞免疫學研究所的研究人員在Cell發表了題為「Impact of Genetic Polymorphisms on Human Immune Cell Gene Expression」的研究成果，並構建了DICE資料庫(https://dice-database.org/)分享他們的數據，通過該資料庫，全世界的科研學者可以探究這些數據，探究他們與基因、細胞類型或者疾病存在的關聯。

　　單細胞測序之胚胎和組織器官發育

　　一個受精卵，如何從單細胞發育分化為不同的細胞類型，一個成熟的組織或者器官又是如何一步步發育而來，一直是個未解之謎。單細胞測序的出現為解開這些謎團提供了強有力的工具。

　　1. PNAS：10X 平臺國內首篇科研論文，發現肺泡發育和再生的新機制

　　2018年2月，北京生命科學研究所的湯楠、蔡濤團隊，使用單細胞轉錄組測序技術在肺泡發育和再生研究領域取得突破性進展，發現肺泡I型細胞(ATI)在肺泡發育和再生過程中存在異質性，lgfbp2是一種高度特異性的AT1細胞終末分化標記，為肺部疾病和肺再生功能的遺傳和細胞機制提供了重大參考。

2. 3篇Science長文：揭開早期胚胎發育神秘面紗

　　2018年4月26日，哈佛大學的科研團隊在Science雜誌同時發表三篇文章，用單細胞轉錄組測序技術繪製了斑馬魚和非洲蟾蜍胚胎發育過程的細胞圖譜，研究成果為我們理解發育生物學提供了重大線索。

　　通訊作者之一Allon Klein在哈佛醫學院官方新聞中表示，「通過單細胞測序技術，我們現在可以在一天的工作中重複出過去數十年來關於生命早期階段細胞命運決定的研究(With single-cell sequencing, we can, in a day’s work, recapitulate decades of painstaking research on the decisions cells make at the earliest stages of life)」。

　　單細胞測序之單細胞轉錄組測序新技術

　　1. Cell：浙江大學郭國驥團隊創建基於Micro-well單細胞檢測技術，繪製國際首張哺乳動物細胞圖譜

　　2018年2月23日，浙江大學醫學院郭國驥團隊在Cell雜誌發表了題為「Mapping the Mouse Cell Atlas by Microwell-seq」的科研論文。該研究成果利用實驗室自己開發的一套Microwell單細胞測序檢測技術，對小鼠近50種組織器官的40多萬細胞進行了單細胞轉錄組測序，繪製了國際首個哺乳動物的細胞圖譜。該技術不僅提高了單細胞技術的檢測豐度，檢測費用相對於油滴包裹的單細胞測序技術降低了一個數量級。

基於Micro-well的單細胞轉錄組測序技術原理

　　2. Science：SPLit-seq將單個細胞的轉錄組測序建庫成本降至1美分

　　2018年3月16日，美國艾倫研究所和華盛頓大學的研究團隊在Science發表科研論文，該技術通過成本低廉的組合條形碼原理，將單細胞轉錄組測序成本降低到1美分，從而使單細胞轉錄組測序這個高大上的技術徹底「平民化」，再一次打破了單細胞檢測的費用門檻。

單細胞測序之單細胞其他組學檢測技術

　　2018年單細胞檢測新技術頻出，為我們更好認識細胞和開展單細胞水平的研究提供了豐富的解決方案。

　　1. BD公司單細胞靶向基因檢測方案推出，靈活的訂製體系為單細胞檢測技術走向轉化提供了溫床

　　2018年1月，BD公司基於Micro-well檢測原理推出BD Rhapsody單細胞測序平臺，靶向基因的檢測更有利於低表達基因的檢出。針對乳腺癌、免疫反應、T細胞、幹細胞等設計了多個Panel，大幅降低了單細胞測序檢測費用，使得單細胞測序技術走向臨床轉化成為可能。

　　2. 10X Genomics單細胞CNV解決方案推出，助力大規模單細胞基因組檢測

　　2018年6月，10X Genomics公司推出單細胞CNV解決方案，該方案基於Droplet的原理可以並行分析數千個細胞的單細胞DNA，並通過基因組比對獲取每個細胞在基因組不同位置的倍性。該解決方案使單細胞基因組學研究得以加速，從單個細胞到群體單細胞研究。

3. BD公司Abseq檢測技術，推動單細胞表面蛋白檢測

　　2018年9月，BD公司利用其多年在流式檢測和抗體檢測的經驗，推出單細胞細胞表面蛋白解決方案，BD Abseq assay。該技術將高質量的抗體和寡核苷酸結合在一起，使得科研人員能夠在BD平臺開展單細胞表面蛋白的檢測。此外，通過改進該技術還可以與單細胞RNA同時檢測，完整揭示出單個細胞內基因和蛋白在生物學系統中的作用。

　　4. 10X Genomics單細胞檢測技術與ATAC-seq強強聯合：推出首個大規模單細胞表觀遺傳學解決方案——單細胞ATAC檢測技術

　　Science和Nature在2015年分別發表了《通過標記組合細胞研究單細胞染色質可及性》和《單細胞染色質可及性揭示轉錄調控機理》兩篇文章。這兩篇論文先後提出利用單細胞ATAC-seq技術對染色質可及性進行檢測，探索細胞轉錄調控機制，解決了以往存在的細胞異質性難題，成為ATAC-seq技術的一大突破。

　　2018年10月，10X Genomics單細胞ATAC-seq解決方案正式推出，其基於10X Genomics Chromium平臺，在單細胞水平對細胞染色質開放區域進行檢測的新技術。可用於繪製細胞染色質開放區的單細胞圖譜，是一種單細胞水平研究表觀遺傳學的有效手段。

5. The Scientist評選2018年十大創新技術，10X Genomics單細胞免疫組庫檢測技術榮獲第4

　　2018年12月，在10X Genomics公司先後推出針對人和小鼠的單細胞TCR+BCR檢測方案後，科學家雜誌對此給予高度評價，年底的十大創新技術評選中，該技術榮獲第4。單細胞免疫組庫檢測除了可以獲取單細胞的基因表達數據外，還可以獲取編碼免疫細胞表面受體(TCR/BCR)的基因序列信息,藉此我們可以輕鬆地獲取到一個細胞內的α鏈β鏈，以及重鏈輕鏈的組合信息，為我們更為全面的認識免疫細胞提供了精細準確的解決方案。

單細胞測序之細胞空間定位

　　1. Cell：史丹福大學科研團隊首次發現腫瘤細胞和免疫細胞的結構化空間分布

　　2018年9月6日，史丹福大學科研團隊在Cell發表題為「A Structured Tumor-Immune Microenvironment in Triple Negative Breast Cancer Revealed by Multiplexed Ion Beam Imaging」的研究論文，該文章改善了原位成像檢測一兩個蛋白這種低通量的檢測手段，使用不同的同位素標記36個蛋白，然後通過離子束激發，產生對應的離子信息，從而獲得多個蛋白在單細胞水平的信息。通過該技術，我們可以系統地理解乳腺癌腫瘤細胞和不同種類免疫細胞的空間分布特徵，而獲取到這些信息，也能更為精確地幫我們認識不同患者的細胞分布特徵，進而評估免疫治療的預後。

　　2. 2018年12月，10X Genomics收購Spatial Transcriptomics，拓展「空間基因組學」業務

　　該技術將組織學和基因表達分析相結合，結合顯微鏡成像技術和RNA測序技術，可以從一片完整的冰凍組織切片中，獲取切片上不同位置細胞中的完整轉錄組數據。它不僅可以獲取單細胞的基因數據，還可以比較組織不同部位的細胞基因信息變化，了解細胞間的相互作用，在腫瘤學、神經科學和免疫學等疾病領域提供了豐富的可能性和廣闊的應用前景。