单细胞测序技术

生物科研实验室

单细胞测序技术




单细胞测序（single cell sequencing，SCS）技术是在细胞层面对单一细胞进行基因测序的技术,可以描述单个细胞的特征，这为充分了解组织的细胞异质性、明确细胞间各基因之间的调控关系以及发现疾病相关新的细胞亚型等带来了突破性见解。
SCS技术的发展   

  


   



      SCS技术，包括基因组学、转录组学和蛋白质组学等技术，是以单个细胞为研究对象破译细胞和分子景观的强大工具。单细胞RNA（转录组）（single cell RNA sequencing，scRNA-seq）测序技术在2009年首次应用，在接下来的十多年里，各种SCS技术迅速发展。当前最新的测序技术以单分子实时测序技术和纳米孔单分子测序技术为代表，它们被认为是第三代测序技术  （third-generation sequencing，TGS）。与前两代测序技术相比，TGS不需要经过PCR  扩增即可完成一条DNA分子的实时测序。  


  
  


  

   单细胞测序技术的核心类型   

  


   



       01 单细胞基因组测序（scDNA-seq） 对单个细胞的基因组DNA进行测序，用于研究基因突变、拷贝数变异（CNV）和细胞间的基因组异质性。     02 单细胞转录组测序（scRNA-seq）
对单个细胞的RNA进行测序，分析基因表达谱，揭示细胞的功能状态和类型。   03 单细胞表观组测序
包括单细胞DNA甲基化测序（scBS-seq）、单细胞染色质可及性测序（scATAC-seq）等，用于研究表观遗传调控。        04 单细胞多组学测序
同时对一个细胞的基因组、转录组和表观组进行测 序，提供更全面的细胞信息。        


  
  


  

   操作步骤  

  


   



      SCS主要涉及以下四个步骤：单细胞分离、核酸扩增、高通量测序和数据分析，其中单细胞分离和核酸扩增是核心技术。
单细胞测序的应用领域









01早期胚胎学研究通过对灵长类动物的胚胎植入，得出受精卵或双细胞阶段的多极分裂和染色体的细胞片段相关，这将对解决试管婴儿失败和胚胎丢失有着重要的意义；对于胚胎发育过程，尚且有很多组织结构和过程产物的作用机制不清楚，SCS优于传统学科，它的运用可避免母体干扰，建立体外培养系统，独立创建模型了解靶向生物标志物和多系统参与的生物机制，例如胚胎-神经系统等。有研究通过分析小鼠细胞期胚胎的单细胞转录本，揭示了对高强度光照的综合反应，包括形态变化、长期伤害效应和细胞内损伤修复机制。02免疫学利用免疫应答的特异性，植入SCS方法的免疫学可以结合多方法多学科，实现单一学科不能实现的功能，如免疫细胞单细胞测序对肿瘤免疫治疗效果的预测、研究对自身免疫性疾病和免疫缺陷疾病的治疗、研究对衰老与免疫反应的关系等。SCS技术可以揭示宿主免疫应答的内在异质性，准确评估免疫细胞激活过程中涉及的特定分子机制。03肿瘤学癌症的特异性来源于其微环境多样性以及突变的不确定性，这都增加了治疗的难度和降低患者的生存率，SCS技术作为一种理想的工具以其特异性和操作的独立性已广泛应用于各种原发性的癌症治疗，如食管癌、肺癌、乳腺癌和宫颈癌等。04神经生物学对神经元和神经胶质细胞的研究，有望解释特异性突变与人类某些疾病的起源有关以及了解突变与人体衰老的关联性大小；通过在单细胞与神经元池，运用转录组方法在单个激光捕获神经元以及相应海马区的基因表达谱比较患病和正常人群，有效得出神经疾病的基因作用靶部位；同样，也可以用SCS技术评价某些有毒有害物质对神经组织的损害程度和毒作用机理。