多篇研究共同解讀近期單細胞測序重磅級研究成果

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本文中，小編整理了近年來單細胞測序領域的重磅級研究成果，與大家一起學習！

【1】Cell：開發出空間單細胞測序技術，有助揭示早期乳腺癌產生浸潤性之謎

doi：10.1016/j.cell.2017.12.007

在一項新的研究中，來自美國德州大學MD安德森癌症中心的研究人員報道一種新的遺傳模型可能解釋著一種常見的被稱作導管原位癌（ductal carcinoma in situ， DCIS）的早期乳腺癌如何進展到更為浸潤性的乳腺癌。相關研究結果於2018年1月4日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Multiclonal Invasion in Breast Tumors Identified by Topographic Single Cell Sequencing」。

這項研究對如何導致DCI進展到浸潤性導管癌（invasive ductal carcinoma， IDC）提供新的見解，並且對為何一些這樣的癌症未被檢測到提供了更清楚的理解。這一發現的取得多虧於這些研究人員開發出一種新的被稱作空間單細胞測序（topographic single cell sequencing， TSCS）的分析方法。

論文共同通信作者、德州大學MD安德森癌症中心遺傳學副教授Nicholas Navin博士說，「儘管DCIS是早期乳腺癌中最為常見的形式，且經常可通過乳腺X線拍照檢測到，但是這種癌症的10％到30％會進展到IDC。鑒於組織分析存在著若干技術挑戰，DCIS如何確切地產生浸潤性在基因組上仍未得到很好的理解。」

【2】Cell：利用單細胞RNA測序鑒定嗅覺神經元類型

doi：10.1016/j.cell.2017.10.019

人類的神經系統就像是複雜的電路板。當電線發生交叉或者電路發生故障時，精神分裂症或躁鬱症等疾病就能夠產生。

長期以來，科學家們一直在努力鑒定大腦迴路的形成方式，以便他們能夠了解讓存在問題的神經元重新連接起來。

如今，在一項新的研究中，美國斯坦福大學的生物學教授Liqun Luo、生物工程與應用物理系教授Stephen Quake及其團隊通過逐個細胞地構建出果蠅嗅覺神經元的詳細基因藍圖，從而在這個方向上邁出了重要的一步。相關研究結果發表在2017年11月16日的Cell期刊上，論文標題為「Classifying Drosophila Olfactory Projection Neuron Subtypes by Single-Cell RNA Sequencing」。

這項研究的基礎想法是理解相對簡單的果蠅大腦中的神經元類型，和鑒定指導果蠅大腦中不同類型的神經元準確地形成連接的分子。隨著時間的推移，人們想要採用類似的方法研究人大腦中複雜得多的細胞組成，甚至可能有朝一日修復大腦疾病中的錯誤連接。

【3】如何讓單細胞測序變得如此簡單？

新聞閱讀：Single-cell sequencing made simple

單細胞生物學研究一直是當今的熱門話題，而且最前沿的領域就是單細胞RNA測序了（scRNA-seq）。常規RNA測序方法一次性能夠對成千上萬個細胞進行加工測序，並給出平均差異，但並沒有兩個細胞是完全一樣的，而新型的scRNA-seq方法就能夠揭示出製造每一種特異性的微小改變，甚至這種技術還能夠闡明完整的新的細胞類型。

比如，當來自博德研究所的研究人員Aviv Regev等人利用scRNA-seq對2400個免疫系統細胞進行探查時，他們無意中發現了一些具有潛在T細胞激活活性的樹突狀細胞，Regev表示，一種刺激這些細胞的疫苗或能夠潛在增強機體免疫系統並且保護機體抵禦癌症。當然了，這些發現都是來之不易的，相比大量細胞而言，研究人員很難對單個細胞進行操作，因為每一種細胞僅會產生少量的RNA，對於研究者而言沒有犯錯的餘地；另外一個問題就是如何對大量的數據進行分析，最重要的是，研究者使用的工具可能是並不直觀的。

【4】Cell Res：中國科學家發表單細胞表觀多組學測序技術的最新研究成果

2017年6月16日，北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬課題組在《Cell Research》雜誌在線發表了題為「Single-cell multi-omics sequencing of mouse early embryos and embryonic stem cells」的研究論文。在國際上率先發展了對一個單細胞同時進行染色質狀態、DNA甲基化、基因組拷貝數變異、以及染色體倍性的全基因組測序技術（single-cell COOL-seq），並採用這一技術在單細胞解析度上系統、深入地解析了小鼠著床前胚胎髮育過程中表觀基因組重編程的關鍵特徵，以及染色質狀態與DNA甲基化之間的互動關係。

現有的基於高通量測序來分析全基因組染色質狀態的研究方法通常需要大量細胞（例如ATAC-seq、DNase-seq、FAIRE-seq、MNase-seq等）。即使這些方法可以做到單細胞解析度，也無法在單細胞解析度上對多種組學之間的互動關係進行研究。而湯富酬課題組將NOMe-seq（全基因組核小體定位及DNA甲基化組測序）技術和PBAT-seq技術（全基因組重亞硫酸鹽測序）巧妙地結合起來，並進行了系統的優化和提高，實現了對同一個單細胞進行多達5個層面的基因組和表觀基因組特徵的分析。

【5】Science：單細胞RNA測序揭秘兩種腦癌的組成

doi：10.1126/science.aai8478

關於兩種腦癌的仔細分析發現這兩種腦癌竟來自同一種神經前體細胞，可以通過基因突變模式和微環境組成進行區分。這項由麻省總醫院（MGH）和博德研究所的研究人員完成的最新研究於近日發表在Science上。

「我們的研究重新定義了兩種攜帶IDH基因突變的相近的膠質瘤——星形細胞瘤和少突神經膠質瘤。」研究共同通訊作者、MGH病理學系和癌症研究中心教授Mario Suvà博士說道，「儘管我們知道這兩種腫瘤基因存在差別，但是我們並不知道它們是否具有相同的細胞來源或者它們基因表達的不同是由於遺傳、細胞來源還是腫瘤微環境？」

幾項最近的研究已經發現了促進腫瘤生長的基因突變，並根據包含腫瘤細胞和微環境中正常細胞的組織樣品基因表達分析給腫瘤分類。但是由於這些分析都是根據大塊腫瘤組織進行的，因此可能掩蓋了許多重要的信息。

【6】Science：重大突破！利單細胞測序揭示免疫細胞衰老之謎

doi：10.1126/science.aah4115

在一項新的研究中，來自歐洲生物信息研究所（EMBL-EBI）、英國劍橋大學、韋爾科姆基金會桑格研究所和英國癌症研究所（CRUK-CI）的研究人員針對免疫系統為何隨著年齡的增加而減弱存在的長期爭論提出新的認識。他們的發現表明相比於年輕組織中的免疫細胞，衰老組織中的免疫細胞缺乏協作，並且表現出更多的基因表達變化。相關研究結果發表在2017年3月31日的Science期刊上，論文標題為「Aging increases cell-to-cell transcriptional variability upon immune stimulation」。

我們所有人經歷與衰老相伴隨的功能逐漸下降，但是是什麼精確地導致這種下降？它為何在體內不同部分以不同的速率發生？為了尋找答案，科學家們需要在分子水平上揭示每個組織中的所有衰老機制。當前的這項研究著重關注免疫組織，特別是CD4+ T細胞。

【7】Cell：將CRISPR和單細胞RNA測序結合在一起分析基因功能

doi：10.1016/j.cell.2016.11.039

哪些突變組合有助癌細胞存活？大腦中哪些細胞參與阿爾茨海默病發生？免疫細胞如何執行它們的複雜決策過程？如今，在一項新的研究中，來自以色列魏茲曼科學研究所等機構的研究人員在一種方法中將兩種強大的研究工具--- CRISPR基因編輯和單細胞基因組分析---結合在一起，從而可能最終有助我們解答這些問題和更多的其他問題。相關研究結果發表在2016年12月15日那期Cell期刊上，論文標題為「Dissecting Immune Circuits by Linking CRISPR-Pooled Screens with Single-Cell RNA-Seq」。

這種新技術能夠讓研究人員在單細胞中操縱基因功能，和非常高解析度地理解每種變化的結果。他們說，利用這種方法開展的單個實驗可能相當於利用之前的方法開展的上千次實驗，而且它可能加快基因工程領域的發展。

基因編輯技術CRISPR已正在改變著全世界生物學研究，而且它的臨床使用馬上就要來臨了。CRISPR最初是在細胞中作為一種原始的獲得性免疫系統而被發現的：它切割病毒DNA，並將它的部分片段粘貼到它們自己的基因組中來抵抗病毒。

【8】Science最新研究：大規模單細胞測序構建首個人腦神經元表達圖譜

dol：10.1126/science.aaf1204

在一項新的項研究中，來自美國加州大學聖地亞哥分校（UCSD）的研究人員開發了首個方法用於人類大腦神經性元不同亞型的鑒定，奠定了"繪製"人腦神經元細胞基因活性方法的基礎；同時，可以幫助我們更好的理解人腦正常功能及疾病異常，包括阿爾茨海默氏症、帕金森症、精神分裂症和抑鬱症等。通過分離和對單個人類大腦神經元細胞核進行單細胞核轉錄組測序，研究人員在人腦的六個高級功能區確定了16種神經元亞型。

這項新的研究成果反應了一個逐漸被普遍理解的事實，即個體大腦細胞是獨一無二的--這些細胞表達不同的基因，承擔不同的功能。為了更好地理解這種多樣性，研究人員對分布在腦皮質中6個不同的Brodmann區域，並且承擔不同功能的3200多個神經元細胞進行了分析。

UCSD生物工程系張鵾教授表示："這項研究構建了一個完整的體系去觀察以及比較單個神經元細胞；這可以幫助我們認清究竟有多少類亞型的腦神經元細胞存在。"通過對這些神經元細胞亞型的認知，研究人員可以構建出人腦細胞"參考圖譜"；這是我們理解正常健康大腦與異常疾病大腦的基礎。"未來，腦部疾病或異常患者可以根據與"參考圖譜"比對的差異，而獲得更精準的診斷及個體化的治療。這與人類基因組圖譜的確立非常相似。"張鵾教授表示。

【9】Science：利用單細胞RNA測序分析黑色素瘤

doi：10.1126/science.aad0501

單細胞分析是一種開創性方法，如今在整個生物領域中正被用來研究一個共同的問題：如何研究異質細胞群體中的細胞多樣性。這種多樣性能夠對細胞存活和增殖、對藥物療法和干預作出的反應以及很多其他的生物過程產生深刻影響。單細胞技術已被用於眾多研究---比如，研究自身免疫疾病中的免疫反應異質性，研究傳染病中的宿主-病原體相互作用，研究人轉錄組。如今，它被用來研究癌症組織---一種多樣性的複雜細胞環境，這經常難倒科學家們。

在過去兩年來，在美國布羅德研究所骨幹成員、麻省理工學院生物學教授和霍華德-休斯醫學研究所研究員Aviv Regev的領導下，計算生物學家、細胞迴路專家和布羅德研究所成員Levi Garraway的癌症研究團隊合作接受這個挑戰。

在一項新的研究中，通過與麻省理工學院副教授、單細胞分析先鋒Alex Shalek合作，Garraway團隊研究黑色素瘤，即最為致命的皮膚癌。他們的研究有助揭示腫瘤的多樣性細胞環境，這不僅對腫瘤中的癌細胞異質性，也對可能影響癌症行為和對治療作出的反應的T細胞和其他細胞，提供深入認識。

【10】Nature：如何利用單細胞mRNA測序發現罕見細胞類型？

doi：10.1038/nature14966

近日，來自荷蘭的科學家在著名國際學術期刊nature上發表了一項最新研究進展，他們利用一種新的計算方法結合轉錄組測序發現了小腸中一些罕見的細胞類型，這對於深入了解器官的細胞組成，探究健康和疾病狀態下的組織生物學具有重要意義。

理解一個器官的發育和功能需要對組成該器官的所有細胞類型的特性有一個清晰的認識。傳統發現和分離細胞亞群的方法是基於幾個已知的標記基因表達出來的信使RNA或蛋白質實現的。但是對於一些罕見的細胞類型來說，鑒定出它們特定的標記基因目前仍存在很大挑戰。而發現一些罕見的細胞類型，如幹細胞，短暫存在的前體細胞，癌症幹細胞或循環腫瘤細胞，對於深入理解正常和疾病狀態下的組織生物學具有非常重要的意義。

為解決這一問題，研究人員首先從培養的小腸類器官中隨機挑選了幾百種不同的細胞類型進行轉錄組測序，這種培養的小腸類器官包含了哺乳動物小腸所有的細胞譜系。由於目前可用的計算方法只能對一些丰度較高的細胞類型進行確定，因此研究人員開發了一種叫做RaceID的演算法，用於在複雜的單細胞群體中發現一些罕見的細胞類型。

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