单细胞测序技术如何助力人类多种疾病的研究？

本文中，小编盘点了科学家们发表的多篇重要研究报告，共同解读他们如何利用单细胞测序技术来助力人类多种疾病的研究，分享给大家！

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【1】Nat Med：单细胞测序揭示胃癌患者差异化结局的原因

doi：10.1038/s41591-020-1125-8

近日，一项刊登在国际杂志Nature Medicine上的研究报告中，来自德克萨斯大学MD安德森癌症中心的研究人员对来自腹膜癌（一种特定形式的转移性胃癌）患者的45，000多个细胞进行了分析，确定了广泛的细胞异质性，并确定了与患者生存相关的两种不同亚型。

文章中，研究人员开发并验证了一种基因表达特征，该特征能够比其他临床特征更好地预测患者的生存。如果在前瞻性研究中得到验证，则该工具可能有助于对胃癌患者进行分层并指导他们采取更有效的治疗策略。

研究者Linghua Wang博士表示，为了更好地治疗癌症患者，我们首先必须了解腹膜腔内转移细胞的数量。这是迄今为止对这些细胞进行的最详细的分析。这就是单细胞分析的力量-我们能够查看每个单细胞并获得整体的宏观图谱。

【2】Cell Rep：单细胞测序预测化疗的有效性

doi：10.1016/j.celrep.2020.108077

在最近一项研究中，来自密歇根大学的Jun Hee Lee博士课题组使用一种单细胞RNA测序的技术，首次展示了单个癌细胞群中的各个细胞对化学疗法引起的DNA损伤的基因表达差异。他们发现，这些反应可以被分为三类：激控制细胞死亡，细胞分裂或应激反应。相关结果发表在最近的Cell Reports杂志上。

“不同命运的细胞实际上具有完全不同的基因激活图谱，而这些不同的'转录组学格局'决定了化疗对DNA造成损伤后细胞的命运。”该研究分析了来自三种结肠癌细胞系的10，000多个细胞。这些细胞首先接受化学药物治氟尿嘧啶的处理，之后对其基因表达图谱进行了分别分析。“以前我们认为，DNA损伤会导致相当均匀的转录反应，而我们的发现表明，不同的DNA损伤反应基因伴随着不同的细胞命运走向。如果我们了解到某些亚群具有特定特征的细胞能够在其他细胞死亡时存活下来，那么科学家们可能会寻找专门针对这些细胞的治疗方法”。

【3】NEJM：单细胞测序揭示线粒体疾病发生机制

doi：10.1056/NEJMoa2001265

在最近一项研究中，马萨诸塞州总医院（MGH）的人员在发现了有关一类线粒体疾病的新致病机制。线粒体疾病是一种遗传性疾病，会干扰体内能量的产生，目前尚无法治愈。该发现发表在New England Journal of Medicine杂志上。线粒体DNA（mtDNA）的遗传突变通常导致中风以及脑功能障碍等疾病的发生，受影响的患者细胞包含突变和非突变的mtDNA的混合物，突变mtDNA的比例在患者之间以及患者体内的组织之间有所不同。同样，症状从轻度到严重不等，取决于受影响的细胞类型与比例。

“人们普遍认为，突变异质性的比例决定了组织是否会表现出疾病。为了更好地了解其中的动力学机制，我们采用了具有单细胞分辨率的全新基因组学技术”， MGH分子生物学系的研究人员Vamsi K. Mootha博士说。研究人员检查了来自9名患者的不同血细胞类型内的mtDNA，“据我们所知，这是首次对每名患者体内成千上万个不同类型的单个细胞中致病线粒体DNA突变的百分比进行的量化研究。”主要作者Melgh A. Walker博士说道。

【4】Nature：中国科学家使用单细胞测序来揭示人类胚胎植入的秘密

doi：10.1038/s41586-019-1500-0

中国多家机构的一个研究团队利用单细胞测序技术，对植入子宫的人类胚胎进行了更多的研究。在这项发表于Nature杂志上的论文中，该小组描述了从植入前、植入中和植入后对数千个人类胚胎细胞进行测序的过程，以及他们从中学到的新知识。精子使卵子受精后不久，卵子就会附着在子宫内膜上。这使得胚胎能够从母体获得氧气和营养。在这项新的研究中，研究人员从细胞的角度观察了在人类繁殖的这一关键时期发生了什么。

为了进一步了解植入过程中发生了什么，研究人员让65个人类卵子受精，并让它们在体外培养系统中生长。这使得他们能够在植入前、植入中和植入后研究成千上万的细胞。研究人员在植入前(受精后6天)对大约2000个胚胎细胞进行了一种名为scTrio-seq的单细胞测序，从而开始了他们的研究。接下来，他们在植入后对另外9000个细胞进行了类似的测序。然后他们对3200个不同原始谱系的细胞进行了比较。

【5】Genome Med：单细胞RNA测序技术或能揭示胰腺肿瘤中单个细胞的特性 有望帮助开发个体化胰腺癌疗法

doi：10.1186/s13073-020-00776-9

近日，一篇发表在国际杂志Genome Medicine上的研究报告中，来自美国翻译基因组学研究院等机构的科学家们通过研究详细描述了组成胰腺癌微环境的单个细胞的特性，这或许有望帮助开发新型疗法来治疗这种侵袭性且难以治疗的癌症类型。

文章中，研究人员利用一种名为单细胞测序的技术来对胰腺肿瘤中的细胞进行分析，最终研究者在胰腺肿瘤间质中识别出了多种细胞，这种间质是围绕在肿瘤周围能帮助其躲避宿主机体免疫系统攻击的特殊物质。此前研究人员利用单细胞转录组学技术来研究胰腺导管腺癌中原发性肿瘤组织的细胞组成，而本文研究中，研究人员则利用该技术对来自原发性肿瘤位点和转移性组织的活组织的单一细胞进行分析。

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【6】Genome Biol：单细胞RNA测序可定量检测药物对胰岛细胞的效果

doi：10.1186/s13059-020-02006-2

胰腺是产生消化酶以及调节血糖水平的激素的器官。胰岛专门负责激素的分泌，其中有β细胞和α细胞，β细胞会产生降低血液中葡萄糖水平所需的激素——胰岛素，而α细胞会产生负责升高血液中葡萄糖水平的激素——胰高血糖素。1型糖尿病是因人体的免疫系统错误地攻击并破坏了胰腺的β细胞。再生医学手段希望通过恢复体内β细胞的数量与质量，从而最终取代目前的胰岛素替代疗法。此外，β细胞功能的障碍也会导致II型糖尿病的发生。因此，对不同胰岛细胞类型的更深入了解有助于对两种形式的糖尿病更好的理解以及疗法的开发。

在此前的研究中，来自CeMM的Christoph Bock和Stefan Kubicek小组的研究人员发表了第一个来自人原代胰岛细胞的单细胞转录组。自那以来，技术的进步使其能够应用于所有单细胞转录组图谱的生成。尽管取得了这些进步，单细胞方法在技术上仍然具有挑战性，其中至关重要的是确保所得单细胞转录组的质量和纯度。CeMM研究人员在他们自己的数据集以及其他已发表的单细胞研究中，在非内分泌细胞类型中发现了意想不到的激素高表达现象。他们希望了解这是否是RNA分子污染的结果。大多数组织的单细胞RNA-seq数据中似乎都存在这种污染，但在胰岛中最为明显。例如，胰岛内分泌细胞专门用于产生单一激素，与典型的“持家”基因相比，β细胞中的胰岛素和α细胞中的胰高血糖素的表达水平缸盖更高。基于此观察，他们的目标是开发，验证和应用一种方法来通过实验确定并通过计算消除潜在的污染。

【7】Nature：科学家通过单细胞测序绘制首个人胚胎造血和免疫系统发育图谱

doi：10.1038/s41586-019-1652-y

2019年10月10日，来自英国Newcastle University和Wellcome Sanger Institute等机构的科学家在Nature上以长文形式发表了题为“Decoding human fetal liver haematopoiesis”的研究，首次报道了由胎肝驱动的人胚胎造血和免疫系统发育过程的单细胞图谱。在该项研究中，作者首先制备了受孕后4周至17周的人胚胎肝脏、卵黄囊、肾脏和皮肤组织单细胞悬液，随后利用流式细胞术和单细胞测序技术对其进行了转录组基因表达定量分析，从而构建了完整的人胚胎造血和免疫系统发育图谱。

基于这一单细胞图谱数据集，作者主要利用了基于力导向图算法的数据降维方法，以高维度基因表达谱为依据，推测了造血和免疫细胞的发育路径。这一路径推测分析给出了三个符合已知研究结果的由造血干细胞生发的血液系统细胞主要发育过程，包括红系细胞—巨核细胞—肥大细胞系、B/T淋巴细胞系及髓系细胞系。上述分析以极高的时空分辨率揭示了人胚胎发育过程中完整的血液、免疫系统动态变化过程，在契合现存大体知识框架的前提下为这一复杂生物学现象补充了丰富的细节。

【8】Cell：科学家发表关于单细胞测序刻画肝癌免疫微环境动态特征的研究成果

doi：10.1016/j.cell.2019.10.003

来自北京大学生命科学学院、北京未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）、生物医学前沿创新中心（BIOPIC）张泽民课题组、首都医科大学附属北京世纪坛医院彭吉润课题组以及德国药企勃林格殷格翰（Boehringer Ingelheim）公司肿瘤免疫与免疫调节部门多位科学家，在国际期刊Cell上发表了题为Landscape and Dynamics of Single Immune Cells in Hepatocellular Carcinoma（单细胞测序刻画肝癌免疫图谱与动态变化的研究）的研究论文，结合10x Genomics和SMART-seq2单细胞RNA测序技术，对肝癌患者多个组织的免疫细胞做出了系统性的刻画，分析了免疫细胞动态迁移和状态转化的特征，描绘了肿瘤浸润免疫细胞跨组织的动态过程，探索了它们在肝癌治疗上的潜在价值。

肝细胞癌是世界范围内死亡率排名第三的癌症，其中中国的肝癌发病率居世界之首。免疫逃逸被认为是癌症发展的标志之一，目前研究表明，肿瘤存在多种免疫逃逸机制，提出了研究肿瘤微环境中不同免疫细胞状态的重要性。而不同类型的单细胞测序技术则是研究不同类型免疫细胞的状态和动态的有力手段。研究者表示，癌症免疫疗法是近年新兴的治疗方法，逐渐成为癌症治疗领域的新趋势，被认为是能够彻底治愈恶性肿瘤的希望所在。北京大学很高兴能与北京世纪坛医院和勃林格殷格翰三方一起合作，共同研究肝癌微环境中不同免疫细胞的状态，在单细胞水平上描绘肝癌免疫微环境的动态特征，为更多的肝癌患者带来希望。”

【9】Science：大量肾脏单细胞的RNA测序分析阐明慢性肾脏疾病的发病根源

doi：10.1126/science.aar2131

肾脏是一个非常复杂的器官，其功能远远不止一个简单的“过滤器”，肾脏要正常发挥功能，需要多个高度特异性的不同细胞类型之间相互作用来帮助机体通过尿液排出废物、平衡体液，调节血压并且分泌多种激素。近日一项刊登在国际杂志Science上的研究报告中，来自宾夕法尼亚大学医学院的研究人员通过研究发现了一种特殊类型的细胞或许能在分子水平下驱动正常或病变的肾脏功能。

文章中，研究人员通过对来自健康小鼠肾脏的57979个细胞进行RNA测序发现了特殊的基因突变，这些突变似乎在单一分化的细胞类型中也会有类似的特征，此外，研究人员除了发现了此前描述的肾脏细胞类型外，还鉴别出了新型的细胞群。研究者Katalin Susztak表示，本文研究为肾脏生理学和肾脏疾病的研究提供了前所未有的见解，肾脏组织中的每个细胞似乎都有着特殊的非冗余功能，而且在特殊症状的患者中常常存在异常状态的特殊细胞类型。

【10】Cell：开发出空间单细胞测序技术，有助揭示早期乳腺癌产生浸润性之谜

doi：10.1016/j.cell.2017.12.007

在一项新的研究中，来自美国德州大学MD安德森癌症中心的研究人员报道一种新的遗传模型可能解释着一种常见的被称作导管原位癌（ductal carcinoma in situ， DCIS）的早期乳腺癌如何进展到更为浸润性的乳腺癌。相关研究结果发表在Cell期刊上。

这项研究对如何导致DCI进展到浸润性导管癌（invasive ductal carcinoma， IDC）提供新的见解，并且对为何一些这样的癌症未被检测到提供了更清楚的理解。这一发现的取得多亏于这些研究人员开发出一种新的被称作空间单细胞测序（topographic single cell sequencing， TSCS）的分析方法。研究者表示，尽管DCIS是早期乳腺癌中最为常见的形式，且经常可通过乳腺X线拍照检测到，但是这种癌症的10％到30％会进展到IDC。鉴于组织分析存在着若干技术挑战，DCIS如何确切地产生浸润性在基因组上仍未得到很好的理解。（生物谷Bioon.com）

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