什么是单细胞测序？

        单细胞测序是一项在单个细胞水平上进行基因组、转录组或表观基因组的高通量测序技术。与传统方法不同，它能精确揭示单个细胞的基因表达状态。随着技术的不断更新，单细胞测序如今已经实现了从高成本、低通量到低成本、高通量、高自动化的突破，成为肿瘤学、发育生物学、免疫学等多个领域的重要研究工具。

为什么做单细胞测序？

        在一个复杂的生物系统中，每个细胞都有其独特的“个性”。不同的细胞在基因表达、功能状态、环境响应等方面各不相同，传统的测序技术将多个细胞混合在一起进行分析，这种“大锅饭”的形式只能捕捉到群体的平均特征，而掩盖了每个单细胞的遗传信息的异质性。单细胞测序技术（scRNA-seq）的出现，打破了这种限制，可以精细到细胞个体，分析不同细胞类群的表达谱，呈现出更细腻的生物信息图谱。

单细胞测序如何运作？

       要揭示每个细胞的基因表达奥秘，单细胞测序背后的工作原理也颇为精妙。这里我们以广泛使用的10x Genomics Chromium平台为例，解释单细胞测序的基本过程。

1、单细胞分离：

通过微流控技术，Gel Beads（凝胶珠）和待捕获的细胞被引导进入微小通道中。在这个过程中，每个凝胶珠遇到一个单独的细胞，形成独立的“油包水”结构。

        每个凝胶珠表面都带有大量“触角”，这些触角携带着Barcode序列（同一个Gel Bead上的Barcode序列相同，后续用于区分细胞）和UMI（同一个Gel Bead上的小触角中UMI各不相同，用于测序后定量）。

单个细胞内的mRNA分子会被相同的Barcode标记，确保我们在后续分析中能追溯到每个单独的细胞，而UMI是唯一的，只计数一次，矫正计数的准确性。

2、细胞破膜与提取：

        在油包水隔离小室中，凝胶珠释放化学物质破坏细胞膜，从而释放出细胞内部的RNA。凝胶珠表面的触角使用Poly(dT)引物抓住这些RNA分子，之后通过反转录将RNA转化为cDNA，并带上条形码和UMI标签。

3、测序与数据分析：

        在完成RNA提取和反转录后，进入了测序阶段。通过高通量测序，我们不仅可以获得每个细胞的基因表达序列，还能通过条形码识别这些序列究竟来自于哪个细胞。UMI标签也确保我们能够去除PCR扩增过程中可能引入的重复序列，从而提高计数的准确性。最终，研究人员可以获得每个细胞独立的基因表达谱，进而深入分析这些细胞的生物学特性。

单细胞测序能解决什么问题？

Ø  肿瘤细胞异质性、肿瘤微环境、肿瘤标志物、癌症治疗研究

Ø  免疫细胞分化、免疫缺陷疾病研究

Ø  胚胎发育、器官发育、脑发育研究

Ø  干细胞分类、干细胞分化研究

Ø  药物开发、疾病分析、生物标记物研究

单细胞测序的研究成果举例

肿瘤方向研究

        这是2024年10月发表在Frontiers in Immunology上的文章，题为“Multi-omics analyses were combined to construct ubiquitination-related features in colon adenocarcinoma and identify ASNS as a novel biomarker”，影响因子为5.7分。

        作者整合了结肠腺癌（COAD）患者的转录组、单细胞和临床组学数据，并结合TCGA和GEO数据库，构建了基于泛素化基因的预后特征，发现高风险患者的免疫浸润显著增加，并识别出ASNS作为潜在的生物标志物，并在SW620 和 RKO 细胞系中敲低ASNS基因检测细胞活性、迁移和集落形成能力验证其对COAD预后的预测价值。

植物学研究

        这是发表在Genome Biol上的文章，题为“Single-cell transcriptomics unveils xylem cell development and evolution”，影响因子10.1分。作者通过单细胞和激光捕获显微解剖转录组学分析，确定了四种不同的木本被子植物中干分化木质部中射线和梭形细胞的发育谱系。

        随着技术的快速迭代，单细胞测序已经从早期的高成本、低通量发展到如今的低成本、高通量、高自动化阶段。

        近年来，10x Genomics和BD平台凭借其强大的科研成果和市场占有率，成为单细胞测序领域的领导者，尤其是10x Genomics的微流控单细胞测序仪，更是科研界的标杆。然而，国内科研力量从未止步于此。华大智造的DNBelab C4平台作为“国货之光”，以其千万细胞、超高通量和成本优势，已成为单细胞测序研究中的新星。

        对于单细胞测序，我们还有很多话要说，下期我们将继续进行单细胞测序服务介绍，帮助您选择最适合的科研方案，满足多样化的研究需求。敬请期待！

参考文献：

1. Wang Z, Zhang W, Yin X, et al. Multi-omics analyses were combined to construct ubiquitination-related features in colon adenocarcinoma and identify ASNS as a novel biomarker[J]. Frontiers in Immunology, 2024, 15: 1466286.

2. Tung C C, Kuo S C, Yang C L, et al. Single-cell transcriptomics unveils xylem cell development and evolution[J]. Genome Biology, 2023, 24(1): 3.