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多篇文章解读科学家们在单细胞层面的研究进展

来源:本站原创 2017-12-11 21:44

近些年来,随着科学家们研究的深入,他们可以实现了在单细胞层面进行多个领域的研究,本文中,小编就整理了近期科学家们在单细胞方面的关键研究,分享给大家!

【1】Cell:利用单细胞RNA测序鉴定嗅觉神经元类型

doi:10.1016/j.cell.2017.10.019

人类的神经系统就像是复杂的电路板。当电线发生交叉或者电路发生故障时,精神分裂症或躁郁症等疾病就能够产生。

长期以来,科学家们一直在努力鉴定大脑回路的形成方式,以便他们能够了解让存在问题的神经元重新连接起来。

如今,在一项新的研究中,美国斯坦福大学的生物学教授Liqun Luo、生物工程与应用物理系教授Stephen Quake及其团队通过逐个细胞地构建出果蝇嗅觉神经元的详细基因蓝图,从而在这个方向上迈出了重要的一步。相关研究结果发表在2017年11月16日的Cell期刊上,论文标题为“Classifying Drosophila Olfactory Projection Neuron Subtypes by Single-Cell RNA Sequencing”。

这项研究的基础想法是理解相对简单的果蝇大脑中的神经元类型,和鉴定指导果蝇大脑中不同类型的神经元准确地形成连接的分子。随着时间的推移,人们想要采用类似的方法研究人大脑中复杂得多的细胞组成,甚至可能有朝一日修复大脑疾病中的错误连接。

【2】科学家提倡乳腺癌单细胞诊断

在近日发表在《癌症趋势》杂志上的一篇文章中,两位研究人员称,乳腺癌患者可能从其肿瘤内不同细胞的分子亚型中受益。虽然乳腺癌通常被视为一个整体进行治疗,但人们越来越对这样的理论达成共识,即肿瘤中的癌细胞可以有多个起源,并能对治疗做出不同反应。因此,作者主张开发更精确的诊断测试,以甄别肿瘤细胞间的分子不规则性。

“乳腺肿瘤是活动的目标,因为它们是‘多面手’。如果你使用能针对一种亚型的疗法,那只能杀死一种乳腺癌细胞,而其他类型的乳腺癌细胞亚型则在扩散。这样一来,治疗就失败了。”美国辛辛那提大学医学院癌症生物学家Jun - lin Guan说。他与博士后研究员Syn Kok Yeo合作撰写了这篇文章。

乳腺癌细胞有不同的分子标记类型,其中一些能在其表面被发现,医生可以通过测试了解患者的癌症特征,并设计出最佳的治疗策略。例如,乳腺癌HER2 +亚型患者的预后通常比腔内A型肿瘤差,这主要取决于细胞繁殖速度有多快。通常研究者会取出样本并筛选最普遍的标记,但Guan和Yeo的分析显示,可能有重叠的亚型被忽视了。

【3】Nature:重大突破!利用单细胞转录组分析揭示成纤维细胞转化为心肌细胞机制

doi:10.1038/nature24454

在心脏病发作后,通过逆转瘢痕组织产生健康的心肌组织将会引发心脏学和再生医学领域的变革。在实验室中,科学家们已证实将心脏成纤维细胞(瘢痕组织细胞)转化为心肌细胞是可行的,但是梳理出这是如何发生的细节并不是件容易的事情,而且将这种方法用于临床实践或甚至其他的基础研究项目中一直都是难以实现的。

如今,在一项新的研究中,来自美国北卡罗来纳大学的研究人员将微流体单细胞RNA测序与数学建模、遗传方法和化学方法结合在一起,描述了从成纤维细胞到心肌细胞的细胞命运转化期间逐步发生的分子变化。在北卡罗来纳大学医学院病理学与实验室医学助理教授Li Qian博士的领导下,这些研究人员不仅成功地重建了单个成纤维细胞在这个过程中选择的路径,而且还鉴定出在成纤维细胞转化为心肌细胞期间发挥着重要作用的分子通路和关键性调节物。相关研究结果于2017年10月25日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Single-cell transcriptomics reconstructs fate conversion from fibroblast to cardiomyocyte”。

Qian实验室开创直接心脏重编程(direct cardiac reprogramming)方法,并且在过去几年对这种方法进行优化。作为心脏再生和疾病建模的一种有前景的方法,它涉及将心脏中的非心肌细胞直接转化为非常类似于内源性心肌细胞的诱导性心肌细胞(induced cardiomyocytes, iCM)。

【4】Science:新突破!在单细胞转录组分辨率下重建虚拟果蝇胚胎

doi:10.1126/science.aan3235

在经过13次快速的细胞分裂之后,一个受精的果蝇卵子产生大约6000个细胞。它们在显微镜下看起来都一样。然而,在那时,果蝇胚胎中的每个细胞已知道它是变成神经元还是肌肉细胞,或2017年9月10日/生物谷BIOON/---者变成肠道、头部或尾部的一部分。

如今,在一项新的研究中,来自德国马克斯-德尔布吕克分子医学中心(Max Delbrück Center for Molecular Medicine, MDC)柏林医学系统生物学研究所(Berlin Institute of Medical Systems Biology, BIMSB)的Nikolaus Rajewsky团队和Robert Zinzen团队分析了上千个果蝇细胞的独特基因表达谱,并且利用一种新的空间映射算法,基于这些数据,重新组装出果蝇胚胎。结果就是获得一种虚拟的果蝇胚胎,该胚胎能够精确地展现出哪些基因在哪个时间点上是有活性的。BIMSB神经组织分化系统生物学实验室主任Robert Zinzen说,“这基本上是早期胚胎的转录组蓝图。”相关研究结果于2017年8月31日在线发表在Science期刊上,论文标题为“The Drosophila embryo at single-cell transcriptome resolution”。

【5】Science:重磅!利用单细胞甲基化组鉴定出新的神经元亚型

doi:10.1126/science.aan3351

在显微镜下,人们很难区分任何两个神经元之间的区别。神经元是储存和处理信息的脑细胞。因此,科学家们利用分子方法,试图鉴定出具有不同功能的神经元群体。

如今,在一项新的研究中,来自美国沙克生物研究所和加州大学圣地亚哥分校的研究人员首次分析了单个神经元中的DNA分子发生的化学修饰,从而提供迄今为止最为详细的信息来将一个脑细胞与它的相邻细胞区分开来。这是开始鉴定大脑中存在多少种神经元类型的关键一步,从而可能有助更好地理解大脑发育和功能障碍。每个细胞的甲基化组(methylome),即散布在DNA上的由甲基基团组成的化学标记模式,给出一种截然不同的读出值,从而有助这些研究人员将神经元分为不同的亚型。相关研究结果发表在2017年8月11日的Science期刊上,论文标题为“Single-cell methylomes identify neuronal subtypes and regulatory elements in mammalian cortex”。

论文共同通信作者、沙克生物研究所基因组分析实验室主任Joseph Ecker说,“我们认为我们将大脑分解为单个细胞,对它们的甲基化组进行测序,并且利用它们的让这些神经元彼此之间区分开来的基因调节元件鉴定出很多新的细胞类型。”

【6】Sci Rep:利用单细胞RNA测序技术阐明机体多种类型味觉细胞的工作机制

doi:10.1038/s41598-017-07746-z

日前,一项刊登在国际杂志Scientific Reports上的研究报告中,来自美国滨州莫奈尔中心(Monell Center)的研究人员通过研究开发出了一种新技术能够鉴别出了任何味觉受体细胞的一整套基因,相关研究或能帮助研究人员阐明味觉感受器细胞发挥特殊功能的分子机制。

研究者Sunil Sukumaran博士表示,在很多方面味觉系统都是机体营养的守门人,我们的研究阐明了味觉细胞的工作机制,或能帮助我们设计多种方法来操控味觉并且促进机体健康饮食。味蕾中含有50至100个紧密压缩的细胞,而且其具有多样化的特性,每一个洋葱状的感觉结构都包含有多种不同亚型的味觉受体细胞;如今研究人员所熟知的II型味觉细胞能够对甜味或可口的化合物产生反应,类似地,III类味觉细胞则会对含盐或酸的化合物产生反应。

目前研究人员还需要深入研究阐明不同类型的味觉细胞如何传递给定味道分子的信息,并且激活神经将相关的信息传送至大脑;通过鉴别给定味觉细胞的基因,研究人员就能够鉴别出味觉细胞发挥特殊功能所需的特殊分子组分。本文研究中,研究人员首次鉴别出了II型甜/鲜感受细胞以及III型盐/酸感受细胞,随后研究者利用诸如RNA测序等遗传学攻击鉴别出了每一种味觉细胞类型中所表达的所有基因。

【7】Nat Methods:新型基因组工具CITE-seq或能实现单细胞大规模多维度分析

doi:10.1038/nmeth.4380

近日,一项刊登在国际杂志Nature Methods上的研究报告中,来自纽约基因组研究中心(NYGC)的研究人员通过研究开发了一种新技术,或能帮助推动单细胞RNA测序的进程,单细胞RNA测序是基因组研究的重要领域,其能够帮助研究人员深入解读单细胞的特性,同时还能够帮助有效区分不同的细胞类型,以及在单细胞水平下研究多种人类疾病的发病机制。

这种名为CITE-seq(Cellular Indexing of Transcriptomes and Epitopes by sequencing,通过测序来进行转录组和表位的细胞索引技术)的新型测序技术能够对数千个单细胞的表面蛋白标记物进行测定,同时还能够对相同单细胞中的信使RNA进行测序。如今研究人员正在对该技术进行概念验证研究,他们结合转录组学技术,对8000个单细胞表面的10种表面蛋白进行了监测,截至目前为止,这项研究是对单细胞进行的最大规模且多维度的分析。

【8】如何让单细胞测序变得如此简单?

新闻阅读:Single-cell sequencing made simple

细胞生物学研究一直是当今的热门话题,而且最前沿的领域就是单细胞RNA测序了(scRNA-seq)。常规RNA测序方法一次性能够对成千上万个细胞进行加工测序,并给出平均差异,但并没有两个细胞是完全一样的,而新型的scRNA-seq方法就能够揭示出制造每一种特异性的微小改变,甚至这种技术还能够阐明完整的新的细胞类型。

比如,当来自博德研究所的研究人员Aviv Regev等人利用scRNA-seq对2400个免疫系统细胞进行探查时,他们无意中发现了一些具有潜在T细胞激活活性的树突状细胞,Regev表示,一种刺激这些细胞的疫苗或能够潜在增强机体免疫系统并且保护机体抵御癌症。当然了,这些发现都是来之不易的,相比大量细胞而言,研究人员很难对单个细胞进行操作,因为每一种细胞仅会产生少量的RNA,对于研究者而言没有犯错的余地;另外一个问题就是如何对大量的数据进行分析,最重要的是,研究者使用的工具可能是并不直观的。

一般而言,RNA测序数据能够被以指令的形式输入到Unix操作系统中进行分析,数据文件会从一个软件包传输到另外一个,在这个过程中,每个工具都要对每一个步骤进行处理,比如基因组比对、质量控制、识别突变体等等。这个过程是非常复杂的,但对于大量的RNA-seq而言,研究人员可以利用算法对每一个步骤进行处理,而且他们也非常清楚每个过程的运行状况。

【9】Nature:科学家深度解析单细胞生物学的研究进展

新闻阅读:Single-cell biology

细胞学说是生物学研究的基石,细胞学说也就是将细胞作为生命基本单位的一种概念,但尽管在生物学家的显微镜下经历了将近180年的历史,科学家们对细胞的研究仍然具有一定的神秘色彩,如今研究者们正在尽力通过对单个细胞进行研究来阐明细胞的天性,比如到底有多少不同种类的细胞存在?其能发挥怎样的角色?这些细胞又是如何随着时间延续而不断发生改变的呢?

近日,一项新闻特稿就阐明了对有机体的谱系追踪结果,研究者揭示了复杂有机体是如何又一个变成两个,随后再变成四个看似相同的胚胎的;细胞类性和活性的多样性要比常规研究所查明地多得多,这也就是为何科学家们要参与到大量的工作中来对人体多种类型的细胞进行分类的原因了。

诸如这样的研究工作具有重要的治疗意义,在异质性肿瘤中不断追踪细胞间的差异性或许能够有效指导科学家们对新型疗法的开发,或者科学家们希望能够改进方法来搜寻能够帮助机体又掉抵御感染或炎症的免疫细胞。

【10】Cell:中国学者张泽民、彭吉润、欧阳文君团队首次发布大规模肿瘤单细胞水平免疫图谱

doi:10.1016/j.cell.2017.05.035

2017年6月15日,北京大学生命科学学院 BIOPIC 中心、北京未来基因诊断高精尖创新中心、北大 - 清华生命科学联合中心张泽民研究组,首都医科大学附属北京世纪坛医院暨北京大学第九临床医学院肝胆胰外科彭吉润研究组,及美国 AMGEN 公司的欧阳文君研究组在《Cell》杂志发表了题为“Landscape of infiltrating T cells in liver cancer revealed by single-cell sequencing” 的研究论文,首次在单细胞水平上描绘了肝癌微环境中的免疫图谱。

癌症免疫疗法是近年新兴的极具潜力的治疗方法,尤其是免疫检查点抑制剂疗法,如 CTLA- 4 抗体 Ipilimumab 及 PD- 1 抗体 pembrolizumab 目前都取得了良好的疗效。虽然这种治疗方法可以达到显著的临床效果,但是在不同病人或者不同癌种之间的效果却很不均一。DNA 变异的数目、肿瘤浸润淋巴细胞的水平以及药物靶点的表达等因素都会影响到各类肿瘤免疫治疗的效果。由于参与肿瘤发生发展的免疫细胞类型多样且异质性很强,只有开展单细胞水平的研究才能真正获得系统详尽的肿瘤免疫图谱,从而助力于肿瘤免疫疗法的发展及有效的靶点和生物标志物的发现。(生物谷Bioon.com)

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