单细胞转录组测序技术及在哺乳动物上的应用

哺乳动物的器官是由多种细胞类型组成,它们通过细胞间的相互作用来发出信号,以维持体内平衡和确保机体发育。传统转录组测序是以大量细胞或组织为研究样本,反映的是细胞总体上转录组特征,不能分析单个细胞的基因表达情况,而单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)技术的发展为揭示单个细胞转录组特征提供了有效方法。本文通过对scRNA-seq平台、scRNA-seq主要技术类型及scRNA-seq在哺乳动物上的应用展开综述。     

单细胞技术进展及其在植物研究中的应用

多细胞生物体的生存依赖于不同类型细胞特异性的功能分工,不同类型的细胞尽管基因组相同,但有其独特的发育过程和应对环境变化的能力。生物学的一大挑战就是揭示基因如何在正确的位置、正确的时间表达到正确的水平,最近出现了很多通过细胞类型特异性方法研究单细胞组学的工具,这些新技术使我们能通过空前分辨率,理解多细胞生物体内不同类型的单个细胞基因表达特点及其适应环境变化的机制。单细胞样品的获取一直是单细胞研究的一大技术瓶颈,因此本文将以如何获得起始材料为重点,探讨单细胞研究的样品标记、单细胞分离及获取、组学数据分析和结果验证等技术方法及其在植物研究中的应用。     

空间组学技术发展趋势的专利分析

空间组学以分子的视角揭示细胞间的微环境互作及空间异质性,在神经科学、癌症研究和发育生物学等领域发挥重要作用。该技术的学术热度较高,却一直处于“垄断式”发展。从空间组学技术在全球和中国专利申请的整体情况入手,分析了该领域全球和中国相关专利申请的变化趋势、技术主题、申请来源、主要申请人等,梳理了该领域关键技术的发展状况。同时,基于上述分析,对我国在空间组学领域的技术突破点和发展模式提出了建议。     

单细胞转录组测序技术在细胞分类中的应用

多细胞有机体的细胞类型多且复杂,细胞间普遍存在异质性。目前,单细胞转录组测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)技术是一项新兴的研究单个细胞转录水平的技术,其从数千个平行的细胞中生成转录谱,揭示个体细胞基因组的差异性表达,反映细胞间的异质性,从而鉴定出不同细胞类型,形成组织或器官的细胞图谱,在生物和临床医学等领域发挥重要作用。该文在对scRNA-seq测序平台进行阐述和比较的基础上,着重介绍其在神经系统和免疫系统细胞类型探索中的应用,并且总结scRNA-seq与空间转录组技术相结合的研究成果。     

单细胞转录组测序技术在动物上的应用研究

细胞是机体最基本的结构组成及功能单位,细胞类型和功能由其整个转录表达谱决定,通过单细胞转录组测序可以获得单个细胞转录表达谱,由此以高精度分辨率鉴定细胞类型、细胞状态以及稀有类型细胞,从而可以在单细胞水平分析细胞动态变化及细胞间的关系,深入解析驱动细胞变化及细胞异常背后的分子细胞机制。随着单细胞测序技术稳定性和测序通量的提高,以及测序成本的降低,其在发育生物学、肿瘤、免疫及疾病等领域被广泛应用,研究对象主要涉及人及模式生物,在动物上的应用研究相对较少。本文主要介绍单细胞转录组测序技术及其生物学应用并综述目前其在动物上的一些开创性研究,以期为今后更好的在动物上应用单细胞转录组测序提供方法参考。     

单细胞转录组分析研究进展

目前常规的转录组分析方法无法揭示单个细胞之间基因表达的异质性,也难以对极少量细胞进行分析,单细胞转录组分析技术为此提供了有效的研究工具。对单细胞转录组分析技术的历史、发展、策略、方法和应用进行综述。     

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。     

Methods to analyze cell type-specific gene expression profiles from heterogeneous cell populations

Recent technical progress in DNA and protein identification has made genome-wide survey of gene expression at tissue and animal levels a routine approach, such as microarray and RNA sequencing technologies to measure mRNA abundance and mass spectrometry to measure protein abundance. A key limitation in applying these genome-wide gene expression profiling methods at tissue and animal levels is that the contribution of a specific cell type to the total amount of measured gene expression cannot be determined. Here, we review currently available approaches to resolve this and discuss future directions of study to solve questions not addressable by state-of-the-art techniques.     

组织单腺体内单细胞的基因变异分析方法

从单细胞尺度进行细胞异质性的分析是深度理解细胞群体关系的关键。组织中的单细胞由于细胞类型不同,尺寸往往相差很大,但是目前常用的基于微孔板和Fluidigm公司的微流控的单细胞组学研究方法,需要入口的单细胞大小相近。本研究以胃组织为例,建立了一种组织单细胞的基因变异分析方法,实现了尺寸差异较大的单细胞的基因变异分析。在该方法中,先将胃组织裂解获得单个腺体,再将单个腺体酶解得到不同大小的腺体内单细胞,然后把这些单细胞铺在聚乙烯萘膜载玻片上,进行激光显微切割分选、全基因组放大,最后测其微卫星的长度。利用该方法,成功在肠上皮化生腺体内部检测到微卫星长度的变化,并灵活地对尺寸差异大的组织细胞以及肠化生腺体细胞进行了精细分析。此外,这种单细胞分析方法还可以对带有不同标记的细胞进行低通量和高通量的基因组分析,为单细胞尺度上的组织异质性研究提供了一种高度灵活的分析方法。     

激光捕获显微切割技术在植物基因组研究中的应用

植物的生长和发育在很大程度上取决于组织和(或)器官特异表达的基因, 但要获取某一发育阶段的特异细胞类群来进行基因表达分析又是相当困难的。近年发展起来的激光捕获显微切割技术可以在显微镜下快速准确地获取单一的细胞类群, 甚至单个细胞, 成功地解决了组织中细胞的异质性问题。介绍了该技术的原理, 并对其在植物中的应用进展情况做了综述, 同时指出了该技术在植物中应用的可能发展方向。     

利用激光显微切割与microarray 技术对恒河猴脑中白质与 灰质基因表达的差异性的研究

目的:利用激光显微切割技术和microarray技术比较恒河猴脑组织中前额叶皮质(prefontal cortex,PFC)与小脑皮质(cere-bellar cortex,CBC)的灰质与白质基因表达的差异。方法:利用激光显微切割技术(laser capture dissection,LCM)与microarray技术的有效结合,提取恒河猴PFC与CBC的白质与灰质,分别提取RNA,合成cDNA文库。最后利用GeneChip 1.0 ST芯片技术,分析得出大脑与小脑中灰质与白质的表达差异性。结果:无论是灰质还是白质,在PFC中的高表达基因都要远远多于在CBC中的高表达基因。结论:使用LCM可以提取单一的细胞群,从而用于要求更为精确的实验当中。     

单个肿瘤细胞测序研究进展

肿瘤是机体在各种致癌因素作用下,遗传物质受损导致特定细胞失去对正常生长调控,引起其克隆性异常增生而形成的恶性赘生物。随着单细胞分离技术及单细胞测序技术日益成熟,单个肿瘤细胞全基因组测序已成为肿瘤研究的一个崭新的领域。该文就对单个肿瘤细胞的获取及单个肿瘤细胞测序研究进展进行综述。     

基于单细胞转录组数据解析大鼠背根神经节在出生后发育中非神经元细胞变化特征

背根神经节(dorsal root ganglia,DRG)是重要的外周神经系统组成部分,是外周感觉传入中枢的枢纽。背根神经节在发育过程中神经元细胞及其基因表达的动态变化已有研究进行过单细胞转录组的解析,而关于非神经元细胞的动态变化尚无系统研究。为了探究出生后不同发育时间点大鼠DRG内非神经元细胞的变化,本研究选取10只7日龄(7 day,7D)大鼠的DRG和3只3月龄(3 month,3M)大鼠的DRG,制备单细胞悬液,使用10×Genomics平台进行测序,从单细胞水平解析了出生后发育中DRG非神经元细胞的转录图谱。结果表明,7D和3M各类非神经元细胞在细胞数目的分布比例上存在显著差异性。对拥有4个亚型的施旺细胞整体进行拟时分析,Ⅱ型施旺细胞是最早出现的施旺细胞亚型,Ⅲ型和Ⅳ型施旺细胞出现较晚。进一步对2个不同发育时间点细胞占比数差异显著的Ⅳ型施旺细胞进行了基因本体(gene ontology,GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto encylopaedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析。从7D到3M的差异基因的GO分析结果表明,Ⅳ型施旺细胞的状态逐渐趋于稳定。KEGG分析结果发现酪氨酸代谢通路的显著上调影响了细胞内的信号转导,进而影响了细胞稳态的维持。从7D到3M,基因Col3a1、Col4a1显著下调,且与细胞外基质的构建密切相关,这表明Ⅳ型施旺细胞的细胞基质环境随着发育过程趋于稳定。上述结果提示Ⅳ型施旺细胞是一类趋于成熟且维持施旺细胞稳态的细胞。本研究关于DRG在发育过程中细胞类型和基因表达差异的分析结果为躯体感觉在发育过程中成熟机制的研究提供了重要参考信息。     

Developing a microfluidic-based system to quantify cell capture efficiency

Micro-fabrication technology has substantial potential for identifying molecular markers expressed on the surfaces of tissue cells and viruses. It has been found in several conceptual prototypes that cells with such markers are able to be captured by their antibodies immobilized on microchannel substrates and unbound cells are flushed out by a driven flow. The feasibility and reliability of such a microfluidic-based assay, however, remains to be further tested. In the current work, we developed a microfluidic-based system consisting of a microfluidic chip, an image grabbing unit, data acquisition and analysis software, as well as a supporting base. Specific binding of CD59-expressed or BSA-coupled human red blood cells (RBCs) to anti-CD59 or anti-BSA antibody-immobilized chip surfaces was quantified by capture efficiency and by the fraction of bound cells. Impacts of respective flow rate, cell concentration, antibody concentration and site density were tested systematically. The measured data indicated that the assay was robust. The robustness was further confirmed by capture efficiencies measured from an independent ELISA-based cell binding assay. These results demonstrated that the system developed provided a new platform to effectively quantify cellular surface markers effectively, which promoted the potential applications in both biological studies and clinical diagnoses. Supported by the National Key Basic Research Program of China (Grant No. 2006CB910303), National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 30730032 and 10332060), National High-Tech Research and Development Program of China (Grant No. 2007AA02Z306) and Chinese Academy of Sciences Grant (Grant No.2005-1-16)     

单细胞PCR技术的研究进展

快速、准确、敏感和可靠的单细胞PCR技术是开展法医学、古微生物学、种植前遗传学诊断（PGD）等的前提。综述一些常用的单细胞PCR策略,并对这些技术的研究进展作一些介绍。