單細胞測序的重要性及應用方向（二）

3 在神經科學中的應用

單細胞測序技術幫助科學家更深入的了解大腦神經細胞。2017年，Salk生物研究所領導的團隊根據甲基化和調控特征，區分小鼠和人類大腦樣本中的神經元亞型，并鑒定出人類額葉皮質中一組新的神經元[6]。研究人員利用單細胞甲基化測序分析小鼠和人類額葉皮質樣本中近6200個神經元，并根據甲基化和調控元件特征對已知的神經元亞型進行聚類。此外，他們還指出人類大腦中存在一種新的神經元亞型，稱為“第6層興奮性神經元”，它們有著獨特的甲基化標記。

這篇論文的通訊作者之一、Salk研究所的計算神經生物學研究人員Margarita Behrens表示：“我們的研究表明，我們能夠根據神經元的甲基化組來清晰定義神經元類型。這有助于我們了解同一區域、外表相似的兩種神經元為何表現不同。”

圖6: 通過高通量單細胞甲基化測序得到小鼠和人額葉皮層神經元細胞的亞型

2018年初，張鹍教授團隊在Nature Biotechnology上發表了一個基于全新單細胞核測序方法的成年人腦第二代單細胞圖譜[7]。該研究通過結合基于微流體的單核測序（snDrop-seq）和單細胞轉座體超敏性位點測序（scTHS-seq）的方法，不僅能利用轉錄組學分析鑒定不同功能的細胞類型，還能通過表觀遺傳學特征更好描述這些表達圖譜是如何調節或者維持的。該研究檢測了超過60，000個來自成人大腦皮層和小腦的單細胞，發現了35種不同的神經元和神經膠質細胞亞型。并且發現了這些細胞中哪些亞型更易受到不同腦部疾病常見危險因素的影響。

圖7:成人大腦不同區域細胞類型的多樣性

4 在免疫學領域的應用

由于傳統的免疫細胞分析方法，取樣來自一大堆細胞，低估了單個免疫細胞的多樣性，所以我們需要更加精確檢測單個免疫細胞的遺傳物質，從而理解機體復雜的免疫機制。

2017年，Ido Amit團隊在大腦中發現一種新型免疫細胞——disease-associated microglia（DAM）[8]，證實DAM細胞負責降解死亡的細胞以及與阿爾茲海默癥相關聯的蛋白病斑。研究人員強調，只有對單個細胞進行RNA測序才能發現罕見的小膠質細胞，從而為治療包括阿爾茲海默癥等在內的神經類疾病提供新方法。

圖8. 單細胞測序發現新型免疫細胞

2017年，來自Broad研究所等機構的科學家們借助單細胞基因組學技術在人類免疫系統中鑒定出了新型細胞[9]。他們通過對健康獻血者分離獲得的約2400個單細胞RNA進行了測序，并富集HLA-DR+細胞系，嘗試 對DC細胞和單核細胞的分類進行重新鑒定和修訂。這一成果是人類細胞圖譜（Human Cell Atlas）計劃的首批重要發現之一。該計劃旨在描述人體內的每一個細胞，以期加速生物醫學的發展，將徹底改變醫生和研究人員如何理解、診斷和治療疾病。

圖9.人類血液中樹突細胞和單核細胞圖譜

結語

單細胞測序技術從誕生至今，僅僅短短數年的時間，便取得了飛速的發展以及矚目的成果。2009年、2010年，在頂級期刊發表的單細胞測序技術類文章數均僅有3篇。而到2013年、2014年該數目分別為23及27篇。現在單細胞測序技術越來越受到科研工作者及臨床工作者的青睞，每年有越來越多的重要成果發表在頂級期刊上。

而華大基因，在單細胞測序領域也取得了重大突破。2012-2017年，在單細胞測序領域華大基因一共發表了15篇文章，影響因子最高44，累計影響因子高達189。下面圖表是華大基因在單細胞測序領域的代表性文章：

表1.華大單細胞測序高分文章列表

參考文獻

[1]  朱忠旭, 陳新. 單細胞測序技術及應用進展[J]. 基因組學與應用生物學, 2015, 34(5): 902-908
[2]  Hou, Y., Song, L., Zhu, P., et al. Single-cell exome sequencing and monoclonal evolution of a JAK2-negative myeloproliferative neoplasm. Cell. 148, 873-885.
[3]  Xu, X., Hou, Y., Yin, X., et al. Single-cell exome sequencing reveals single-nucleotide mutation characteristics of a kidney tumor. Cell. 148, 886-895.
[4]  I Tirosh, AS Venteicher, C Hebert, LE Escalante, AP Patel, et al. Single-cell RNA-seq supports a developmental hierarchy in human oligodendroglioma. Nature, 2016, 539(7628): 309-313.
[5]  Lan, F., Demaree, B., Ahmed, N. & Abate, A. R. Single-cell genome sequencing at ultra-high-throughput with microfluidic droplet barcoding. Nat. Biotechnol. 2017，35, 640–646.
[6]  C Luo, CL Keown, L Kurihara, et al. Single-cell methylomes identify neuronal subtypes and regulatory elements in mammalian cortex. Science, 2017, 357(6351):600.
[7]  Lake BB, Chen S, Sos BC, Fan J, Kaeser GE, Yung YC, Duong TE, Gao D, Chun J, Kharchenko PV, Zhang K. Nat Biotechnol. 2018; 36(1):70-80. Integrative single-cell analysis of transcriptional and epigenetic states in the human adult brain.
[8]  Keren-Shaul H, Spinrad A, Weiner A, et al. A Unique Microglia Type Associated with Restricting Development of Alzheimer’s Disease[J]. Cell, 2017, 169(7):1276.
[9]  Villani AC, Satija R, Reynolds G, Sarkizova S, et al.  Single-cell RNA-seq reveals new types of human blood dendritic cells, monocytes, and progenitors. Science,2017, 356(6335). pii: eaah4573.