回顧：?jiǎn)渭?xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)發(fā)展之十年歷程

俗話說(shuō)，十年是個(gè)風(fēng)水嶺，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)發(fā)展至今十年間，在促進(jìn)對(duì)生物學(xué)和疾病的認(rèn)識(shí)上發(fā)揮出的巨大潛力有目共睹。那么，十年間單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組是如何發(fā)展至今的？又取得了哪些新的進(jìn)展呢？今天，讓我們跟隨Sarah Aldridge和Sarah Teichmann兩位大神，一起來(lái)回顧單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)十年發(fā)展。

一、過(guò)去十年中單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)是如何發(fā)展的？

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)是2009年北大湯富酬老師等人通過(guò)少數(shù)小鼠原始生殖細(xì)胞，基于高通量測(cè)序技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)細(xì)胞中對(duì)mRNA全基因組檢測(cè)。此后，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，包括標(biāo)簽測(cè)序方法（例如STRT-seq和CEL-seq，MARS-seq）、全長(zhǎng)測(cè)序（例如SMART-seq / SMART-seq2）等。真正實(shí)現(xiàn)高通量單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的發(fā)展是后續(xù)開(kāi)發(fā)的納米液滴，微孔技術(shù)和原位條形碼技術(shù)。這些技術(shù)的發(fā)展與完善, 使得單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)進(jìn)入高通量與自動(dòng)化的全新時(shí)代。

圖1 單細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展歷程

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)處理等不斷進(jìn)步，對(duì)于揭示標(biāo)記基因以及鑒定細(xì)胞發(fā)育軌跡等至關(guān)重要，也正是這些技術(shù)的進(jìn)步，催生出了新一代檢測(cè)技術(shù)——空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)。

空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序能在保留空間位置信息的同時(shí)檢測(cè)基因表達(dá)。由Stahl等人開(kāi)發(fā)的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序方法是最早的，可用于檢測(cè)整個(gè)轉(zhuǎn)錄組以及空間位置的轉(zhuǎn)錄組檢測(cè)技術(shù)（無(wú)法達(dá)到單細(xì)胞分辨率）。而最新發(fā)表的研究已經(jīng)從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組檢測(cè)。隨著單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的結(jié)合，越來(lái)越多的細(xì)胞圖譜出世，這些圖譜以高分辨率繪制了所有細(xì)胞基因活動(dòng)的空間位置圖。

二、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)正在改變我們對(duì)健康和疾病的理解

在單細(xì)胞技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，人類(lèi)細(xì)胞圖譜（HCA）全球聯(lián)盟于2016年創(chuàng)立，以繪制人體的“谷歌地圖”。單細(xì)胞層次的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)在人體上的價(jià)值是深遠(yuǎn)的，健康的人體組織和模型生物參考圖譜將為衰老，疾病和精準(zhǔn)治療提供基礎(chǔ)背景（圖2）。

圖2 單細(xì)胞技術(shù)的應(yīng)用

通過(guò)人體組織細(xì)胞圖譜，我們對(duì)基礎(chǔ)生物學(xué)有了新的認(rèn)識(shí)。比如在孕早期母胎界面發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞狀態(tài)（例如NK和基質(zhì)細(xì)胞），揭示健康妊娠背后的機(jī)制，并加深了我們對(duì)這些機(jī)制改變（例如先兆子癇）的認(rèn)識(shí)。這些新的認(rèn)識(shí)正在改變我們對(duì)于疾病的理解。

在最近幾個(gè)月里，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)還被用于新型冠狀病毒COVID-19的研究，提高我們對(duì)新型冠狀病毒感染的生物學(xué)理解。在一系列組織中，對(duì)冠狀病毒受體、感染相關(guān)基因的單細(xì)胞表達(dá)分析，提供了對(duì)病毒傳播潛在位點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。這為進(jìn)一步研究感染，傳播和制定預(yù)防和治療的臨床策略提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的應(yīng)用前景

目前，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)在人類(lèi)健康方面主要涉及以下四個(gè)方向：胚胎發(fā)育、組織器官發(fā)育、免疫系統(tǒng)和腫瘤的研究。

一些新的領(lǐng)域，如用于改進(jìn)體外細(xì)胞模型（如類(lèi)器官）的工程設(shè)計(jì)，也將受益于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)結(jié)果�；�于HCA數(shù)據(jù)提供的細(xì)胞狀態(tài)的高維描述，包括從孕早期人類(lèi)胚胎發(fā)生開(kāi)始的發(fā)育途徑，為體外模型提供了精確的模板，并且通過(guò)比較體內(nèi)和體外數(shù)據(jù)，我們可以預(yù)測(cè)生成改良的體外系統(tǒng)（如iPSC衍生的細(xì)胞和類(lèi)器官）所需的潛在因素。

圖3 體外細(xì)胞模型

隨著空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)分辨率的提高，對(duì)于研究具有復(fù)雜形態(tài)的組織中的細(xì)胞具有廣闊的前景。越來(lái)越多的研究表明，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上重要領(lǐng)域，包括基于細(xì)胞的模型，細(xì)胞療法，再生醫(yī)學(xué)和靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)。

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)發(fā)展至今也不過(guò)十年時(shí)間，但是卻在這十年里發(fā)生了革命性的變化，相信下一個(gè)十年，會(huì)有更大的驚喜等著我們。小伙伴們是不是心癢難耐，想了解更多呢？趕快聯(lián)系我們，搭乘這趟高速前進(jìn)的列車(chē)吧。

文章來(lái)源
Single cell transcriptomics comes of age. Nature Communications, 2020, 11:4307| https://doi.org/10.1038/s41467-020-18158-5.