單細胞測序的重要性及應用方向（一）
單細胞測序研究一直是當今的熱門話題，想知道單細胞技術有哪些重要的應用？想深入了解當今主流的單細胞測序技術嗎？華大智造《單細胞測序技術講堂》開講啦！跟著小造一起尋找這些問題的答案。
單細胞測序的重要性
隨著第二代測序(next generation sequencing，NGS) 技術和第三代測序( third generation sequencing，TGS)技術的飛速發展，引起生物研究領域的巨大變革。以前，需要從大量細胞中獲取足夠多的DNA 進行測序，因此測序結果是這些細胞“整體”的表征。然而，由于細胞異質性，相同表型的細胞的遺傳信息可能存在顯著性差異，很多低豐度的信息會在整體表征中丟失。為了彌補傳統高通量測序的局限性，單細胞測序技術應運而生。
單細胞測序技術是指在單個細胞水平上，對基因組、轉錄組、表觀組進行高通量測序分析的一項新技術。它能夠揭示單個細胞的基因結構和基因表達狀態，反映細胞間的異質性，在腫瘤、發育生物學、微生物學、神經科學等領域發揮重要作用，正成為生命科學研究的焦點［1］。2013年單細胞測序技術被Nature Methods評為年度技術（圖1左）。同年，《科學》雜志（Science）將單細胞測序列為年度最值得關注的六大領域榜首，認為該技術將改變生物界和醫學界的許多領域。由于單細胞測序技術廣闊的應用前景，2015年單細胞測序技術再度登上Science 轉化醫學封面（圖1右）。
圖1.單細胞測序技術榮登頂尖雜志年度封面
(圖片來源http://t.cn/R840r7W；http://t.cn/RQHjnW3)
2017年10月16日，與“人類基因組計劃”相媲美的“人類細胞圖譜計劃”（圖2） 首批擬資助的38個項目正式公布。人類細胞圖譜計劃是一項大型國際合作項目：根據獨特的分子信息（如基因表達）對所有人類細胞種類進行定義，并將這些信息與傳統的細胞學表述（如位置和形態）相關聯。其中一項關鍵的技術就是單細胞測序。
圖2: 人類細胞圖譜計劃
（圖片來源: http://t.cn/RQHYNxw）
相信未來單細胞技術，將會大大改變人類的科學研究以及臨床應用，尤其是在腫瘤、微生物、神經科學、免疫學等領域。下面我們將重點介紹近年來單細胞技術在以上領域的重要發現。
單細胞測序的應用
1 在腫瘤研究中的應用
2012年3月2日，深圳華大基因研究院在腫瘤研究上獲得突破性進展，于國際著名學術期刊《細胞》（Cell）上同時發表兩篇研究論文［2，3］。該工作研發了一種解析單細胞基因組的新方法，并將該方法應用于原發性血小板增多癥（一種血癌）和腎透明細胞癌（一種腎癌）（圖4）的腫瘤內部遺傳特征研究。此新方法解決了之前無法解決的腫瘤高異質性難題，為深入研究癌癥發生、發展機制及其診斷、治療提供了新的研究思路并開辟了新的研究方向。
圖3.華大單細胞測序技術分別應用于血癌和腎癌研究
2016年，麻省總醫院MGH、Broad研究所的研究人員在單細胞水平上對腦瘤進行基因組分析，首次在人類腦瘤樣本中鑒定到了癌癥干細胞及其分化后代 [4]。研究人員分析了六個早期少突膠質細胞瘤樣本的四千多個腫瘤細胞，發現腫瘤細胞在發育上可以分為三類。其中一類比較像神經干細胞，另外兩類具有一定的分化特征。研究結果證實了癌癥干細胞是少突膠質細胞瘤的主要生長源，這些細胞將成為很有前景的治療靶標。
圖4:在單細胞水平上對腦瘤進行基因組分析
2 在微生物研究中的應用
單細胞測序在微生物領域也取得了重要突破。2017年，來自美國UCSF的研究組首次實現原核生物的微生物單細胞測序技術［5］。圖5展示了該研究的詳細流程。
圖5：基于微流控技術實現微生物單細胞測序
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