單細胞測序技術“遍地開花”，精準醫療“如虎添翼”！

作者：Carrie

  單細胞測序技術

　　基因測序在體外診斷市場中的重要性日益突出。其中，單細胞測序技術自2009年問世，2013年被Nature Methods評為年度技術以來，越來越多地被應用在科研領域。2015年以來，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于基礎科研和臨床研究。

　　單細胞測序是從單個細胞水平對基因組和轉錄組進行的研究。通過全基因組或轉錄組擴增，進行高通量測序，能夠揭示單個細胞的基因結構和基因表達狀態，反映細胞間的異質性。 相比于群體細胞測序，更適用于解決少量特殊樣本的研究、異質性群體的分析及同時或互斥發生的基因組變化的查找等問題。單細胞測序技術在腫瘤、發育生物學、神經科學等領域有重要應用，是現今生命科學研究的焦點。

　　單細胞測序技術的應用

　　單細胞測序技術助力腫瘤研究

　　1.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。

　　以色列Ido Amit實驗室李漢杰博士等發現，癌癥中免疫細胞的異質性對免疫治療的效果有重要影響，功能失調的CD8 T細胞在腫瘤微環境中處于動態分化和高度活躍的狀態，而且很可能驅動著腫瘤特異性免疫應答。

　　該團隊通過對25名黑色素瘤患者腫瘤中免疫細胞，進行單細胞轉錄組測序和單細胞TCR測序分析，繪制黑色素瘤詳盡的免疫細胞圖譜。該研究發現盡管不同免疫細胞亞型存在于大多數患者中，但是它們的相對豐度在不同患者中存在很大差異。此外，盡管豐度不同，所觀察到的CD8T細胞的分化途徑卻是高度保守的。該研究為癌癥中免疫細胞的異質性對免疫治療的效果進一步提供了理論支撐。

　　2：Nature，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

　　張澤民教授課題組分別在《Nature Medicine》和《Nature》發布重大研究成果，在單細胞水平繪制肺癌和結直腸癌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、組織分布特征、腫瘤內群體異質性及藥物靶基因表達情況，鑒定了跨組織分布的T細胞類群及亞群間潛在的狀態轉換關系，這對于肺癌和結直腸癌的診斷和治療具有重大意義。

　　該團隊將繼續利用單細胞測序技術和生物信息方法結合，來闡明腫瘤微環境特別是腫瘤浸潤免疫細胞的精確組成和功能狀態，探究腫瘤內部各類細胞的特異屬性、相互關系、及動態變化，從而找到新靶點，開拓克服腫瘤的新穎方法。

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

　　美國Sloan Kettering癌癥中心團隊，使用單細胞轉錄組測序技術，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征。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經典概念。

　　單細胞轉錄組分析與心臟病

　　Cell Stem Cell：從單細胞水平描繪了人心肌細胞重編程過程中轉錄組隨著細胞命運轉化而發生的改變。

　　該論文由來自北卡羅來納大學（UNC）的心肌細胞重編程領域開創者之一錢莉教授帶領的研究團隊發表。研究人員首先報道了優化的人心肌細胞重編程的方法，利用最精簡的重編程因子達到了高效的重編程效果（～50%的轉化細胞表達心肌細胞的標記分子cTnT）。研究人員利用單細胞測序詳細描繪了人心肌細胞重編程過程中轉錄組的動態變化和細胞命運的二項選擇，即在成纖維細胞向心肌轉化的早期誘導階段存在一個“決策點”，決定了細胞的命運能否成功地被轉化。

　　除了描繪整體的重編程圖譜外，通過深度挖掘單細胞轉錄組數據，該研究還為進一步了解人心肌細胞重編程的分子機制提供了大量的線索和研究方向。基于重編程響應和非響應途徑的差異基因比對，研究人員還找到了正向和反向的分子標記物，將來可用于篩選和富集轉化的心肌細胞。

　　單細胞轉錄組分析阿爾茨海默病

　　Nature：單細胞轉錄組分析阿爾茲海默病

　　來自美國麻省理工學院的研究人員首次對阿爾茨海默病患者的單個腦細胞中表達的基因進行了綜合分析。所獲得的分析結果允許他們鑒定出在神經元和其他類型的腦細胞中受到影響的獨特細胞通路。這一分析可能為阿爾茨海默病提供許多潛在的新型藥物靶點。

　　研究人員分析了24名表現出高水平阿爾茨海默病病理學特征的人和24名具有相似年齡的沒有這些疾病跡象的人的尸檢大腦樣本，對來自這些受試者約8萬個細胞進行單細胞RNA測序。通過該測序技術，研究者不僅能夠分析最豐富的細胞類型，包括興奮性和抑制性神經元，而且還能分析稀有的非神經元腦細胞，如少突膠質細胞、星形膠質細胞和小膠質細胞。

　　研究發現，這些細胞類型中的每一種在阿爾茨海默病患者中都表現出明顯的基因表達差異。在患有阿爾茨海默病的個體中，與髓鞘形成相關的基因在神經元和少突膠質細胞（產生髓鞘的細胞）中都受到影響。

　　單細胞測序與糖尿病

　　Nature：Chartingcellular identity during human in vitro β-cell differentiation

　　哈佛大學干細胞研究所的Douglas A. Melton團隊，使用單細胞測序的方法，詳細地分析了誘導方案中細胞組成和基因表達動態變化；并發現CD49a（ITGA1）是β細胞的表面標記物，可用來富集β細胞；同時，也為研究體內胰腺祖細胞分化為胰島細胞過程提供指導。

　　單細胞測序發現新的腸道干細胞

　　Nature：Single-cell transcriptomes of the regenerating intestine reveal a revival stem cell

　　加拿大西奈山醫院的Alex Gregorieff和Jeffrey L. Wrana領導的研究團隊，發現了一類獨特的干細胞，其會在小腸受損傷后激活以維持干細胞池穩態并促進小腸上皮再生。這類新的小腸干細胞——revSCs，revSCs是一種緩慢循環的細胞類型，受YAP1信號調控后出現在受損的腸道中，以重建LGR5+ CBCs干細胞池，促進腸道再生。因此，損傷引起的revSCs擴增可能是小腸損傷修復的關鍵機制。

　　參考來源：

　　1. Li H , Leun A M , Yofe I , et al. Dysfunctional CD8 T Cells Form a Proliferative, Dynamically Regulated Compartment within Human Melanoma[J]. Cell, 2019, 176:1-15.

　　2. Guo X , Zhang Y , Zheng L , et al. Global characterization of T cells in non-small-cell lung cancer by single-cell sequencing[J]. Nature Medicine, 2018, 24(7).

　　3. Zhang L , Yu X , Zheng L , et al. Lineage tracking reveals dynamic relationships of T cells in colorectal cancer[J]. Nature, 2018, 564:268-272.

　　4. Elham A , Carr A J , George P , et al. Single-Cell Map of Diverse Immune Phenotypes in the Breast Tumor Microenvironment[J]. Cell, 2018:S0092867418307232.

　　5.https://doi.org/10.1016/j.stem.2019.05.020

　　6.Hansruedi Mathys et al. Single-cell transcriptomic analysis of Alzheimer’s disease. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1195-2.

　　7.https://doi.org/10.1038/s41586-019-1154-y

　　8.https://doi.org/10.1038/s41586-019-1168-5