单细胞测序方法研究进展

近年来,高通量测序技术(Next-generation sequencing,NGS)快速发展,已广泛应用于生命科学各个领域,但传统的混合细胞测序(Bulk cell sequencing)检测的是细胞群体的总平均反应,无法反应每个细胞的真实情况,这会影响研究者对细胞功能认知的准确性。单细胞测序技术(Single cell sequencing,sc-Seq)的出现,从一定程度上解决了传统测序固有的缺陷。单细胞测序是针对单个细胞的RNA或DNA进行测序,能够准确测出单个细胞的基因结构和表达状态,从而分析相同表型细胞的异质性。本文首先介绍单细胞测序的原理、测序类型和测序平台,有助于理解单细胞测序和在进行科研项目时设计合适的项目方案。进一步介绍单细胞转录组测序的分析流程和各种常用的分析工具或软件,并重点阐述单细胞转录组测序分析中的细胞聚类和拟时序分析的原理和研究进展,为进行单细胞转录组测序数据分析提供参考。最后,本文简述了单细胞测序研究热度、单细胞测序的应用、挑战和展望等,有助于更全面地认识单细胞测序。     

单细胞测序技术在肝脏疾病的应用与展望

新兴的单细胞测序技术能够从单细胞水平揭示基因组、转录组和表观遗传学等分子水平发生的基因变异与表观修饰状态,也可用于鉴定新的细胞类型和表面标记物。这将帮助人们探明疾病发生时细胞基因、转录或表观修饰方面的变化,了解细胞之间的联系,以及深入理解肿瘤异质性。目前,单细胞测序技术已用于多种疾病的研究,其在肝脏疾病,包括肝硬化、肝癌中已有相关成果。于此,综述了单细胞测序技术在肝脏发育及肝病中的应用,讨论了肝脏疾病发生的内在机制以及该技术仍存在的问题,提出可能的解决方案,如发展三维单细胞测序技术将更能帮助人们深刻理解肝脏疾病发生机制。     

单细胞测序技术在干细胞领域的研究进展

细胞异质性是生物体内普遍存在的一种特性,这种特性容易受外界因素的影响,甚至是单一类型的细胞在生长环境发生改变时,其基因表达也可能出现变化并产生差异。干细胞是一类具有无限自我更新和分化潜能的特殊类型的细胞,在胚胎组织发育和成体组织的动态平衡中发挥了重要作用。单细胞测序为分析包括干细胞在内的细胞异质性提供了强有力的工具,这种技术可通过更加准确的方式剖析细胞异质性。该文综述了近年来发展起来的单细胞测序技术,包括单细胞分离、基因组扩增和测序分析,并讨论了它们在干细胞(包括多能干细胞、肿瘤干细胞和组织特异性干细胞)研究中的应用。     

单细胞基因组测序技术新进展及其在生物医学中的应用

随着单细胞基因组测序技术的建立与发展,对细胞基因组特征的分析进入了单细胞水平。单细胞的基因组分辨率不但使研究人员能够在单细胞尺度上分析肿瘤细胞的异质性,也使得传统上难以检测的稀有细胞的基因组研究成为可能。这些稀有细胞往往具有重要的生物学意义或临床价值,如癌症患者血液中循环肿瘤细胞(circulatingtumorcell,CTC)的基因组检测或三代试管婴儿植入前胚胎细胞的遗传缺陷诊断与筛查(preimplantation genetic diagnosis/screening, PGD/PGS)。本文总结了近年来发展的各种单细胞基因组扩增技术及其优缺点,并介绍了单细胞基因组测序技术在肿瘤生物学和临床检测中的应用,以期为单细胞基因组测序技术在临床检测中应用开发提供参考。     

单细胞转录组测序技术在心脏发育、疾病以及医学中的应用

单细胞转录组测序(Single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)可以在单细胞水平描绘出每个细胞同一基因的表达量在不同细胞间的表达水平差异,使得在单细胞水平重新认识各种组织器官成为可能。目前对心脏的测序研究正从传统的普通转录组水平过渡到单细胞水平,对小鼠和人的心脏的测序陆续地发表出来。概述了scRNA-seq在心脏发育、疾病以及医学中的应用,讨论了scRNA-seq技术在胚胎心脏发育、心脏细胞的异质性以及在心脏血管方面、多能干细胞分化心血管细胞模型和先天性心脏畸形的进展和存在问题,对scRNA-seq技术对心脏发育、心脏再生、心脏病和单细胞个性化医疗等方面作出展望。     

单细胞测序技术在口腔鳞状细胞癌研究中的应用

单细胞测序技术是在单细胞水平上对目标细胞遗传信息进行测序。该技术已应用于众多医学领域,在研究肿瘤细胞的异质性、肿瘤的发生、发展及耐药性等方面具有独特的优势。口腔鳞状细胞癌是高侵袭性头颈部癌之一,其局部复发风险高,存活率低于一般头颈癌组,以手术治疗为主,放射和化学治疗为辅。然而,多数口腔鳞状细胞癌患者预后不佳,存在局部复发和高转移。本文总结了单细胞测序技术的发展及其在口腔鳞状细胞癌研究中的应用,旨在为口腔鳞状细胞癌的精准诊治提供新的见解。     

单细胞全基因组扩增技术与应用

同一组织中的细胞往往具有类似的结构和功能,然而通过对单个细胞进行测序分析后,发现每个细胞都具有一定异质性.单细胞全基因组扩增技术是进行单细胞测序的前提,该技术可用于揭示单细胞基因组结构差异,同时在肿瘤研究、发育生物学、微生物学等研究中发挥重要作用,并成为生命科学研究技术的热点之一.单细胞全基因组扩增技术的难点在于单细胞的分离和全基因组的扩增.本文介绍了单细胞全基因组扩增技术中常用的单细胞分离技术和单细胞全基因组扩增技术,并对各技术间的优缺点进行比较,同时着重讨论该技术在肿瘤研究、发育生物学和微生物学研究中的应用.     

单细胞凝胶电泳应用研究进展

单细胞凝胶电泳技术是被广泛使用的检测DNA损伤的技术,其具有灵敏度高、简便、经济、快速等各种优点。在近30年来,该技术广泛被应用于遗传毒理、环境监测、医学诊断等研究及各类实验证实方面。近些年单细胞凝胶电泳与荧光原位杂交等其他技术相结合后更是拓宽了它的应用范围,本文主要介绍了单细胞凝胶电泳的原理及优劣,并重点阐明了其在遗传毒理学、细胞凋亡、环境监测、群体生物学、临床诊断与治疗,生物信息学领域上的应用,并讨论了它的发展前景。     

单细胞转录组测序在少突胶质谱系细胞异质性与神经系统疾病中的应用

少突胶质细胞是中枢神经系统中形成髓鞘的高度特化的胶质细胞，由少突胶质前体细胞分化而来。长期以来，围绕少突胶质谱系细胞开展的研究主要集中在少突胶质细胞发育、髓鞘形成以及少突胶质谱系细胞在神经系统疾病中的作用等。新兴的单细胞转录组测序技术可以在转录组层面鉴定出特定类型细胞，为少突胶质谱系细胞的研究提供助力。本综述主要关注常见单细胞测序技术的发展以及它们在少突胶质细胞功能异质性和神经系统疾病研究中的应用，并对已取得的成果进行总结阐述，为单细胞测序技术在中枢神经系统疾病中少突胶质谱系细胞相关研究的应用和开发提供思路和参考。     

单细胞基因组学分析的技术前沿

基因组学已经深刻地改变了生命科学的诸多领域的面貌。目前它的主要内容是新的全基因组碱基序列的测定和在全基因组范围内鉴定那些在不同水平上影响生命活动的基因群的功能和相互作用。为达此要求,近年出现的第二代测序(深度测序)技术和基因芯片技术发挥了关键作用,但是两者都需要足够的高质量的核酸样品。所以,在只有或只能用单细胞或极少量细胞的情况下,如果没有特殊手段,上述分析往往不能常规、方便地进行。文章以DNA扩增为主线,综合阐述了目前在单细胞(特别是微生物)全基因组测序和大基因组的靶向重测序,以及对单细胞或微量细胞进行的基于深度测序或芯片杂交的功能基因组分析,如转录组、ChIP和DNA的CpG甲基化分析等的最新策略和技术,评价了单细胞基因组测序和功能基因组学各技术的特点并对发展前景进行了展望。     

空间转录物组学技术进展及其在神经科学领域中的应用

空间转录物组学是在单细胞RNA测序技术基础上实现细胞空间位置信息测定的组学技术。该技术克服了单细胞转录物组学在单细胞分离建库过程中丢失细胞在组织中空间信息的问题,可同时提供研究对象的转录物组数据信息和在组织中的空间位置信息。空间转录物组学技术对研究细胞谱系的发生过程、细胞间的调控机制和相互作用等具有重要作用,是组学技术研究的重要发展方向和热点。近年来,空间转录物组学技术发展迅速,新的检测方法不断产生,检测灵敏度、分辨率和检测通量等技术指标不断提升。本文根据获取空间信息的原理不同,将较为常用的空间转录物组学技术进行了分类,总结了各类方法的检测原理、代表性技术手段及其相应的技术指标。随后,从脑细胞类型区分与细胞层图谱构建、神经系统相关疾病特征分析与标志物研究两个方面举例论述了空间转录物组学技术在神经科学中的应用。最后,对空间转录物组学技术目前存在的问题进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望。     

光学显微镜技术在活细胞单分子检测中的应用

单分子检测是一门以高度的时间以及空间分辨率研究生物单分子的技术。近来,科学技术的探索发展使我们可以观察、检测甚至操纵单个分子并且研究它们的构象变化和动力学行为。这一发展使得以前被传统系综研究体系平均化所隐藏的新信息被揭示出来。单分子检测技术的发展已经揭开了生命科学研究的新篇章。在本文中,我们将介绍有关活细胞中单分子检测技术的发展以及活细胞内单分子检测的现状。     

Applications of single cell RNA sequencing to research of stem cells

Stem cells(SCs) with their self-renewal and pluripotent differentiation potential,show great promise for therapeutic applications to some refractory diseases such as stroke, Parkinsonism, myocardial infarction, and diabetes. Furthermore, as seed cells in tissue engineering, SCs have been applied widely to tissue and organ regeneration. However, previous studies have shown that SCs are heterogeneous and consist of many cell subpopulations. Owing to this heterogeneity of cell states, gene expression is highly diverse between cells even within a single tissue,making precise identification and analysis of biological properties difficult, which hinders their further research and applications. Therefore, a defined understanding of the heterogeneity is a key to research of SCs. Traditional ensemble-based sequencing approaches, such as microarrays, reflect an average of expression levels across a large population, which overlook unique biological behaviors of individual cells, conceal cell-to-cell variations, and cannot understand the heterogeneity of SCs radically. The development of high throughput single cell RNA sequencing(scRNA-seq) has provided a new research tool in biology, ranging from identification of novel cell types and exploration of cell markers to the analysis of gene expression and predicating developmental trajectories. scRNA-seq has profoundly changed our understanding of a series of biological phenomena. Currently, it has been used in research of SCs in many fields, particularly for the research of heterogeneity and cell subpopulations in early embryonic development. In this review, we focus on the scRNA-seq technique and its applications to research of SCs.     

不同单细胞全基因组扩增方法的比较及MALBAC在辅助生殖中的应用

单细胞全基因组扩增(whole genome amplification, WGA)是指在单细胞水平对全基因组进行扩增的新技术,其原理是将分离的单个细胞的微量全基因组DNA进行扩增,获得高覆盖率的完整的基因组后进行高通量测序,用于揭示细胞异质性。目前,WGA方法主要包括引物延伸预扩增(primer extension preamplification PCR, PEP-PCR)、简并寡核苷酸引物PCR (degenerate oligonucleotide primed PCR, DOP-PCR)、多重置换扩增(multiple displacement amplification, MDA)、多次退火环状循环扩增(multiple annealing and looping-based amplification cycles, MALBAC)等。本文对不同的单细胞WGA方法的原理及应用情况分别进行了阐述,并对其扩增效率进行评价和比较,包括基因组覆盖度、均一性、重现性、SNV (single-nucleotide variants)和CNV (copy number variants)检测力等。综合对比不同单细胞WGA方法后发现,MALBAC的扩增均一性最高、等位基因脱扣率最低、重现性最好,且对于CNV和SNV的检测效果最好。本文还阐述了MALBAC技术在人类单精子减数重组、非整倍体分析以及人类卵细胞基因组研究中的应用。     

单细胞转录组测序在药物成瘾研究中的应用

药物成瘾是复杂的中枢神经系统疾病，相关基础与临床研究均证实药物成瘾的神经机制及神经环路在成瘾行为形成的不同阶段逐渐发生改变。利用全基因组关联研究、全基因组测序、全外显子测序或高通量转录组测序等技术的组学研究对包括药物成瘾在内的精神疾病遗传的脆弱性进行了深入研究。上述单核苷酸多态性检测技术或测序技术主要预测疾病的遗传风险位点。然而，许多中枢神经系统疾病的发生与环境因素密切相关，而且在疾病发展的不同阶段，相关基因的表达存在脑区特异性的细胞异质性信息。因此，传统研究对发病机制的解释存在一定的局限性。单细胞转录组测序技术是针对单个细胞进行转录水平的测定，规避了传统测序对细胞群体平均转录水平检测的缺点，可以定量描述细胞异质性。近年来，单细胞转录测序技术在神经精神科学研究中的应用逐渐受到关注，本文总结了该技术在神经科学研究中的重要应用，并以药物成瘾为例，重点阐述说明其在中枢神经系统疾病中的应用价值。     

实现“终极版”核苷酸测序仪的技术要素

20世纪70年代发明的第一代DNA测序技术,尽管测序通量有限,却成功地保证了“人类基因组计划”的实施;世纪之交出现的下一代(第二代) DNA测序技术经历了通量飞跃,为各种精准医学项目的实施提供了保障;目前的第三代技术,尽管通量居二代之后,但读长和单分子测序优势也让其有立足之本;第四代测序技术的基本标志是不经过cDNA (以RNA为模版合成的互补DNA),无PCR扩增,而直接测定单分子RNA序列,以及确定单分子RNA上的修饰核苷酸位点。从技术的角度看,第三、四代技术有一定技术要素共享(比如在单分子水平测定DNA序列),但是就测序对象而言,第四代应该属于“终极版”核苷酸测序仪：可以从单细胞出发,既能测定DNA序列,也可以测定RNA序列,也可以直接确定修饰核苷酸位点。因此,要实现这个“终极版”核苷酸测序仪,就要调动相关核心技术要素,而这些要素毫无疑问地会涉及物理、化学、工程学、生物学、半导体科学、计算机科学等领域的前沿技术,包括纳米科学、单分子光学、单分子拉曼光谱、单分子核磁共振、单分子酶学、人工智能等所谓的“硬科技”。其功能是从单细胞的裂解开始,经微纳结构实现组分分流后,直接导入RNA序列测定单元,定量分析细胞RNA分子的种类、数量、序列和修饰核苷酸位点的存在频率。本文系统介绍了第四代测序仪的可能技术要素,以及应用需求和新研究范式。     

Deep Profiling of Cellular Heterogeneity by Emerging Single‐Cell Proteomic Technologies

The ability to comprehensively profile cellular heterogeneity in functional proteome is crucial in advancing the understanding of cell behavior, organism development, and disease mechanisms. Conventional bulk measurement by averaging the biological responses across a population often loses the information of cellular variations. Single‐cell proteomic technologies are becoming increasingly important to understand and discern cellular heterogeneity. The well‐established methods for single‐cell protein analysis based on flow cytometry and fluorescence microscopy are limited by the low multiplexing ability owing to the spectra overlap of fluorophores for labeling antibodies. Recent advances in mass spectrometry (MS), microchip, and reiterative staining‐based techniques for single‐cell proteomics have enabled the evaluation of cellular heterogeneity with high throughput, increased multiplexity, and improved sensitivity. In this review, the principles, developments, advantages, and limitations of these advanced technologies in analysis of single‐cell proteins, along with their biological applications to study cellular heterogeneity, are described. At last, the remaining challenges, possible strategies, and future opportunities that will facilitate the improvement and broad applications of single‐cell proteomic technologies in cell biology and medical research are discussed.     

Microfluidic three-dimensional cell culture of stem cells for high-throughput analysis

Although the recent advances in stem cell engineering have gained a great deal of attention due to their high potential in clinical research, the applicability of stem cells for preclinical screening in the drug discovery process is still challenging due to difficulties in controlling the stem cell microenvironment and the limited availability of high-throughput systems. Recently, researchers have been actively developing and evaluating three-dimensional (3D) cell culture-based platforms using microfluidic technologies, such as organ-on-a-chip and organoid-on-a-chip platforms, and they have achieved promising breakthroughs in stem cell engineering. In this review, we start with a comprehensive discussion on the importance of microfluidic 3D cell culture techniques in stem cell research and their technical strategies in the field of drug discovery. In a subsequent section, we discuss microfluidic 3D cell culture techniques for high-throughput analysis for use in stem cell research. In addition, some potential and practical applications of organ-on-a-chip or organoid-on-a-chip platforms using stem cells as drug screening and disease models are highlighted.