单细胞技术在干细胞研究中的应用

干细胞是具有自我更新和分化潜能的异质性细胞群体。基于细胞群体水平的干细胞研究不能满足深入认识干细胞生物学本质及实际应用的需要。近年来,单细胞相关技术不断发展和成熟,并正在干细胞基础研究及其相关领域中获得迅速应用。该文以造血干细胞为主要例举,就实验研究中常用的单细胞分离、单细胞克隆分析、单细胞移植、单细胞实时定量PCR及单细胞测序等技术原理及其应用进行综述。     

单细胞转录组高通量测序分析新进展

细胞异质性是生物组织的普遍特征。常规转录组测序(RNA-Seq)技术需要上万个细胞,所测结果实际上是一群细胞基因表达的平均值,所以难以鉴别细胞之间基因表达的异质性。单细胞RNA-Seq技术的分辨率精确至单个细胞,为辨别异质性群体中各种细胞类型的转录组特征提供了有力的工具。近年来单细胞RNA-Seq技术发展迅速,在方法学上包括cDNA扩增方法的多样化、对灵敏度和技术噪声的定量分析、浅覆盖高通量单细胞RNA-Seq方法和原位RNA-Seq技术等;在技术应用方面应用范围从早期胚胎发育扩大到组织器官发育、免疫和肿瘤等多个领域。文章对单细胞RNA-Seq在方法学和技术应用两方面的研究进展进行了详细阐述。     

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.     

单细胞技术与干细胞疗法在心脏疾病研究中的应用

细胞是生命的基本单位,而异质性则是细胞的固有属性之一。单细胞测序技术的出现,为细胞间异质性的探索、新的细胞群的发现、发育轨迹重建的研究提供了便利。目前,单细胞测序技术已在包括心肌梗死、心肌肥大、心力衰竭在内的研究中有了一定的成果。该文综述了单细胞测序的流程,包括样品制备、文库构建和测序分析,回顾了其在心脏疾病中的应用,并讨论了基于干细胞的疗法在临床中的应用前景。     

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。     

单细胞转录组测序数据分析算法在干细胞研究中的应用

细胞的转录组决定其生理状态,每个细胞的转录组都是唯一的。借助单细胞转录组测序可分析单个干细胞的转录组特征,通过进一步的运算方法可以根据转录组特征对细胞进行细胞状态测定以及系谱分化特征的重建,在干细胞及组织发育研究中发挥了强大的作用,推动了其快速发展,加速了对干细胞分化及组织发育的相关过程及调控路径的认识。尤其是在干细胞领域的应用,得益于新算法的发展,单细胞转录组测序分析可用来阐述干细胞的起源、异质性,尤其是对干细胞的分化过程进行连续观察。本文主要对应用于干细胞分化相关研究的单细胞转录组测序数据新的算法及其应用进行了综述。     

图神经网络在单细胞测序数据上的研究进展

单细胞测序技术使得科研人员能够以细胞级别的分辨率进行基因表达数据分析，以此发现组织(如肿瘤组织或器官组织)中具有异质性的细胞。这项技术对癌症病理学的研究、生命发育过程的探索等起到了重大推动作用。单细胞测序数据有着样本量大、特征多且稀疏的特点，因此近些年一些研究工作尝试使用图神经网络进行单细胞测序数据的挖掘。这些研究工作一般先根据细胞内的基因表达信息将单细胞测序数据转化为细胞图结构，然后使用图神经网络聚合细胞间邻域信息来进行细胞表示学习，并在细胞聚类任务和细胞类型标注任务上取得了很好的效果。本文旨在介绍图神经网络在单细胞测序数据挖掘上的研究进展，并设计实验展示scGNN、scGCN和scDeepSort三个主流的用于单细胞测序数据的图神经网络模型的性能。最后，结合研究进展与实验分析，本文对图神经网络处理单细胞测序数据这一领域的未来研究方向进行了展望，以促进图神经网络更好地服务于单细胞测序数据的挖掘。     

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。     

人尿源性干细胞的分离培养及应用研究新进展

人尿源性干细胞(human urine-derived stem cells,hUSCs)是从人尿液中通过常温离心分离培养出来的具有良好增殖活性和多向分化能力的成体干细胞,具有间充质干细胞的生物学特性,其在组织器官修复、疾病治疗、药物活性及毒性替代筛选等领域均有重要的应用前景,且已能实现多种途径向尿源性多潜能干细胞(urine-induced pluripotent stem cells,u-iPSCs)转化,但在研究过程中发现仍然存在一些值得深入研究的问题,如人尿液源性干细胞的来源尚不明确,定向诱导多潜能干细胞分化的条件选择及如何提高重编程效率等.本文对hUSCs的来源、分离培养方法、生物学特性及其应用研究最新进展进行综述,总结了由hUSCs向u-iPSCc诱导的方法及其应用前景,为hUSCs的研究和应用提供参考.     

Convergence of normal stem cell and cancer stem cell developmental stage: Implication for differential therapies

Increased evidence shows that normal stem cells may contribute to cancer development and progression by acting as cancer-initiating cells through their interactions with abnormal environmental elements.We postulate that normal stem cells and cancer stem cells (CSC) possess similar mechanisms of self-renewal and differentiation.CSC can be the key to the elaboration of anti-cancer-based therapy.In this article,we focus on a controversial new theme relating to CSC.Tumorigenesis may have a critical stage characterized as a "therapeutic window",which can be identified by asso-ciation of molecular,biochemical and biological events.Identifying such a stage can allow the production of more effective therapies (e.g.manipulated stem cells) to treat several cancers.More importantly,confirming the existence of a similar therapeutic window during the conversion of normal stem cells to malignant CSC may lead to targeted therapy specifically against CSC.This conversion information may be derived from investigating the biological behaviour of both normal stem cells and cancerous stem cells.Currently,there is little knowledge about the cellular and molecular mechanisms that govern the initiation and maintenance of CSC.Studies on co-evolution and interdependence of cancer with normal tissues may lead to a useful treatment paradigm of cancer.The crosstalk between normal stem cells and cancer formation may converge developmental stages of different types of stem cells (e.g.normal stem cells,CSC and embryonic stem cells).The differential studies of the convergence may result in novel therapies for treating cancers.     

间充质干细胞特性与应用前景

间充质干细胞是中胚层发育的早期细胞,具备干细胞的基本特性。在发育的不同阶段和特定环境条件下,间充质干细胞可向骨、软骨、肌肉、神经、血管及血液细胞等多种方向分化。在成体的很多器官和组织中也存在着间充质干细胞,以备修复和再生所用。间充质干细胞易于体外培养,扩增迅速,可以分化为多种细胞,为干细胞生物工程提供了一个很好的种子细胞。在明确间充质干细胞生物学特性和分化的机制后,可在体外和体内将其定向诱导分化为多种细胞。间充质干细胞具有巨大的临床应用价值和科学研究价值。     

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s...     

过表达Msx1、Pax9和Bmp4对牙髓干细胞牙向分化的影响

在组织工程研究领域中,利用干细胞进行牙齿再生是一种途径。目前,研究认为牙齿的发育过程是上皮与间充质相互诱导的结果,利用干细胞进行再生牙齿时也需要有上皮源性和间充质源性干细胞的参与。牙髓干细胞是牙齿自体的干细胞,具有多向分化潜能,在牙齿再生中是一种理想的间充质源性干细胞。该研究通过慢病毒介导在牙髓干细胞中分别过表达人Msx1、Pax9和Bmp4基因,研究其对牙向分化的诱导潜能。过表达这三个基因均能显著提高牙髓干细胞碱性磷酸酶的水平,并且促使牙髓干细胞表达成牙本质细胞标志蛋白——牙本质涎磷蛋白、骨钙素、骨桥素和形成钙化组织。但在诱导牙向分化的能力上,三个基因有一定的区别。过表达Msx1基因对牙髓干细胞体外诱导牙向分化能力最为明显,其次是Bmp4基因,过表达Pax9在促进牙髓干细胞表达骨桥素和钙质形成上不是很显著。     

中国细胞重编程和多能干细胞研究进展

近几十年是干细胞领域飞速发展的重要时期。随着中国经济实力的发展壮大,科研实力也在稳步增强,干细胞研究领域达到了国际并跑甚至领跑的水平。本文从体细胞核移植、诱导多能干细胞、单倍体多能干细胞和胚胎早期发育研究4个方面,对中国细胞重编程和干细胞领域的研究进展进行了历史性回顾,总结了中国科学家在相关领域所取得的重要科研成果。随着单细胞测序技术的发展,各种发育过程将实现更为深入的解读,干细胞的临床应用在中国也会大放异彩。     

Role of circadian gene Clock during differentiation of mouse pluripotent stem cells

Biological rhythms controlled by the circadian clock are absent in embryonic stem cells (ESCs). However, they start to develop during the differentiation of pluripotent ESCs to downstream cells. Conversely, biological rhythms in adult somatic cells disappear when they are reprogrammed into induced pluripotent stem cells (iPSCs). These studies indicated that the development of biological rhythms in ESCs might be closely associated with the maintenance and differentiation of ESCs. The core circadian gene Clock is essential for regulation of biological rhythms. Its role in the development of biological rhythms of ESCs is totally unknown. Here, we used CRISPR/CAS9-mediated genetic editing techniques, to completely knock out the Clock expression in mouse ESCs. By AP, teratoma formation, quantitative real-time PCR and Immunofluorescent staining, we did not find any difference between Clock knockout mESCs and wild type mESCs in morphology and pluripotent capability under the pluripotent state. In brief, these data indicated Clock did not influence the maintaining of pluripotent state. However, they exhibited decreased proliferation and increased apoptosis. Furthermore, the biological rhythms failed to develop in Clock knockout mESCs after spontaneous differentiation, which indicated that there was no compensational factor in most peripheral tissues as described in mice models before (DeBruyne et al., 2007b). After spontaneous differentiation, loss of CLOCK protein due to Clock gene silencing induced spontaneous differentiation of mESCs, indicating an exit from the pluripotent state, or its differentiating ability. Our findings indicate that the core circadian gene Clock may be essential during normal mESCs differentiation by regulating mESCs proliferation, apoptosis and activity.     

Single-cell RNA sequencing in cornea research: Insights into limbal stem cells and their niche regulation

The corneal epithelium is composed of stratified squamous epithelial cells on the outer surface of the eye, which acts as a protective barrier and is critical for clear and stable vision. Its continuous renewal or wound healing depends on the proliferation and differentiation of limbal stem cells (LSCs), a cell population that resides at the limbus in a highly regulated niche. Dysfunction of LSCs or their niche can cause limbal stem cell deficiency, a disease that is manifested by failed epithelial wound healing or even blindness. Nevertheless, compared to stem cells in other tissues, little is known about the LSCs and their niche. With the advent of single-cell RNA sequencing, our understanding of LSC characteristics and their microenvironment has grown considerably. In this review, we summarized the current findings from single-cell studies in the field of cornea research and focused on important advancements driven by this technology, including the heterogeneity of the LSC population, novel LSC markers and regulation of the LSC niche, which will provide a reference for clinical issues such as corneal epithelial wound healing, ocular surface reconstruction and interventions for related diseases.     

Messenger RNA quantification after fluorescence activated cell sorting using intracellular antigens

Recent studies using stem cells or cancer stem cells have revealed the importance of detecting minor populations of cells in blood or tissue and analyzing their biological characteristics. The only possible method for carrying out such procedures is fluorescence activated cell sorting (FACS). However, FACS has the following limitations. First, cells without an appropriate cell surface marker cannot be sorted. Second, the cells have to be kept alive during the sorting process in order to analyze their biological characteristics. If an intracellular antigen that was specific to a particular cell type could be stained with a florescent dye and then the cells can be sorted without causing RNA degradation, a more simple and universal method for sorting and analyzing cells with a specific gene expression pattern could be established since the biological characteristics of the sorted cells could then be determined by analyzing their gene expression profile. In this study, we established a basic protocol for messenger RNA quantification after FACS (FACS-mQ) targeting intracellular antigens. This method can be used for the detection and analysis of stem cells or cancer stem cells in various tissues.