單細(xì)胞基因組旨在通過(guò)組學(xué)方法研究單個(gè)細(xì)胞。近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，這一年輕的領(lǐng)域正在迅速成熟起來(lái)。單細(xì)胞基因組研究的前身可以追溯到用芯片檢測(cè)單細(xì)胞的基因表達(dá)。不過(guò)，新一代DNA測(cè)序才是單細(xì)胞基因組學(xué)的大功臣，這些技術(shù)的出現(xiàn)讓單細(xì)胞基因組研究最終一飛沖天。

2012年7月，Nature Biotechnology雜志發(fā)表了具有里程碑意義的單細(xì)胞測(cè)序方法——Smart-Seq.Smart-Seq能夠覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)錄組生成全長(zhǎng)cDNA，就算是現(xiàn)在，能做到這一點(diǎn)的單細(xì)胞測(cè)序方案也寥寥無(wú)幾。那幾年，許多研究者們都在埋頭改進(jìn)各種單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的精確性和應(yīng)用范圍，增加研究通量和減少實(shí)驗(yàn)成本。

百花齊放的單細(xì)胞分析技術(shù)

如今，單細(xì)胞RNA-seq已經(jīng)成為了成熟的日常操作，其他形式的單細(xì)胞分析開(kāi)始百花齊放，包括DNA、蛋白質(zhì)、染色質(zhì)修飾等等。

單細(xì)胞DNA測(cè)序

單細(xì)胞全基因組DNA測(cè)序是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)椴牧蠐p失會(huì)導(dǎo)致序列丟失，測(cè)序錯(cuò)誤很難與真正的突變區(qū)分開(kāi)?；羧A德休斯醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家們迎難而上，對(duì)人類大腦皮層神經(jīng)元進(jìn)行了單細(xì)胞測(cè)序，醫(yī)|學(xué)教育網(wǎng)搜集整理并根據(jù)發(fā)育過(guò)程中累積的體細(xì)胞突變重建了神經(jīng)元譜系。他們的研究顯示，正常成年人的單個(gè)大腦神經(jīng)元具有一千多個(gè)點(diǎn)突變，而且不同神經(jīng)元的突變形式并不相同。大多數(shù)突變發(fā)生在大腦發(fā)育完成之后，是基因積極活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。

單細(xì)胞表觀遺傳學(xué)分析

通過(guò)單細(xì)胞分析來(lái)檢測(cè)表觀遺傳學(xué)狀態(tài)是單細(xì)胞研究的一大趨勢(shì)。DNase I超敏感位點(diǎn)（DHS）是對(duì)DNaseⅠ高度敏感的活性染色質(zhì)區(qū)域。哺乳動(dòng)物細(xì)胞的DHS定位，能夠提供轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件和染色質(zhì)狀態(tài)的重要信息，一直是科學(xué)家們的研究熱點(diǎn)。DNase測(cè)序（DNase-seq）是進(jìn)行全基因組DHS分析的常用方法，不過(guò)DNase-seq需要數(shù)百萬(wàn)細(xì)胞，大大限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。去年十一月，美國(guó)NIH的趙可吉博士開(kāi)發(fā)了在單細(xì)胞中檢測(cè)全基因組DHS的超靈敏策略，并將其命名為單細(xì)胞DNase測(cè)序（scDNase-seq）。

表觀遺傳學(xué)修飾可以在不改變DNA序列的情況下調(diào)控基因的活性，對(duì)于人類發(fā)育、人類疾病和環(huán)境影響有深遠(yuǎn)的意義。DNA甲基化是最常見(jiàn)的一種表觀遺傳學(xué)修飾，廣泛參與了細(xì)胞對(duì)基因表達(dá)的控制，在細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞分化、細(xì)胞增殖和疾病狀態(tài)中起到了關(guān)鍵性的作用。2014年7月，Nature Methods雜志發(fā)布了單細(xì)胞重亞硫酸鹽測(cè)序（scBS-seq）技術(shù)。該技術(shù)可以對(duì)單個(gè)細(xì)胞的所有DNA甲基化進(jìn)行全基因組分析，幫助人們進(jìn)一步理解胚胎的發(fā)育機(jī)制，更好的進(jìn)行癌癥和不孕不育的治療。

單細(xì)胞蛋白質(zhì)分析

談到單細(xì)胞蛋白質(zhì)分析，我們不能不提質(zhì)譜流式細(xì)胞技術(shù)（mass cytometry）。這種技術(shù)是流式細(xì)胞技術(shù)與質(zhì)譜分析技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)晶，利用質(zhì)譜原理對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行多參數(shù)的檢測(cè)。它繼承了傳統(tǒng)流式細(xì)胞儀的高速分析的特點(diǎn)，又具有質(zhì)譜檢測(cè)的高分辨能力，是流式細(xì)胞技術(shù)一個(gè)新的發(fā)展方向。質(zhì)譜流式細(xì)胞技術(shù)能在單細(xì)胞水平上同時(shí)分析超過(guò)40種細(xì)胞參數(shù)，極大的增強(qiáng)了流式細(xì)胞分析評(píng)估復(fù)雜細(xì)胞系統(tǒng)和過(guò)程的能力。今年五月Cell雜志發(fā)表“Mass Cytometry： Single Cells， Many Features”綜述，全面介紹了質(zhì)譜流式細(xì)胞技術(shù)的現(xiàn)狀，相關(guān)儀器，主要應(yīng)用范圍，數(shù)據(jù)分析方法，以及未來(lái)的發(fā)展前景。

在單細(xì)胞研究的大潮中，新的測(cè)序方法層出不窮。不過(guò)，很少有人對(duì)這些方法進(jìn)行系統(tǒng)的比對(duì)。The Scientist雜志最近聯(lián)系了單細(xì)胞研究領(lǐng)域的一些專家，請(qǐng)他們分享了在單細(xì)胞中進(jìn)行轉(zhuǎn)錄研究的秘訣，比較了一些常用的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，包括Smart-seq、CEL-seq、SCRB-seq和Drop-seq.單細(xì)胞分析開(kāi)始強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合

單細(xì)胞研究領(lǐng)域的最新動(dòng)向，是在一個(gè)細(xì)胞中同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種檢測(cè)分析，比如基因組和轉(zhuǎn)錄組、轉(zhuǎn)錄組和甲基化組、RNA和蛋白質(zhì)。這些技術(shù)可以幫助人們將單細(xì)胞表型與基因型聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)一步理解腫瘤和其他疾病的演化。去年四月，Nature Methods雜志發(fā)布了引人注目的測(cè)序技術(shù)——G&T-seq.該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的DNA和RNA平行測(cè)序，同時(shí)展現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞的基因組序列和基因活性。 研究人員用G&T-seq對(duì)220個(gè)小鼠和人類細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序，獲得了空前詳細(xì)的信息。他們首次觀察到，當(dāng)細(xì)胞丟失或獲得染色體拷貝時(shí)，該區(qū)域的基因表達(dá)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。

今年一月份，英國(guó)和比利時(shí)的研究人員在Nature Methods雜志上發(fā)表文章，描述了一種在單細(xì)胞中同時(shí)分析表觀基因組及轉(zhuǎn)錄組的新測(cè)序方法。這一技術(shù)可以幫助研究者們精確描繪DNA甲基化改變與基因表達(dá)之間的關(guān)系。（更多詳細(xì)信息參見(jiàn)：Nature Methods：突破性單細(xì)胞表觀基因組與轉(zhuǎn)錄組分析新技術(shù)） 五月份，醫(yī)|學(xué)教育網(wǎng)搜集整理加州大學(xué)范國(guó)平教授和同濟(jì)大學(xué)薛志剛教授在Genome Biology雜志上發(fā)布了自己開(kāi)發(fā)的測(cè)序技術(shù)——scMT-seq.這種方法能夠同時(shí)分析細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組和甲基化組，在單細(xì)胞中揭示DNA甲基化與基因表達(dá)的直接關(guān)聯(lián)。

單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析正在迎頭趕上

單細(xì)胞基因組技術(shù)正在迅猛發(fā)展，單細(xì)胞計(jì)算分析也在奮起直追。統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法是單細(xì)胞基因組研究的核心，只有正確的方法才能幫助我們從數(shù)據(jù)中提取有意義的生物學(xué)信息。前不久，德克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心的研究人員開(kāi)發(fā)了首個(gè)用于單細(xì)胞DNA測(cè)序的突變檢出程序——Monovar.這一重要研究成果于今年四月發(fā)表在Nature Methods雜志上。研究人員認(rèn)為Monovar是單細(xì)胞測(cè)序評(píng)估SNV的一大進(jìn)步，能夠?yàn)槿藗兲峁┒喾N疾病的關(guān)鍵信息。精確檢測(cè)SNV對(duì)于癌癥診療、個(gè)性化醫(yī)療和產(chǎn)前診斷非常重要，而Monovar在這些方面有著廣闊的應(yīng)用前景。