高通量单细胞测序：这才是细胞测序分析的正确打开方式

　　

每种植物，动物和真菌都由复杂的细胞混合物组成。每种细胞类型都有其独特的功能、生命周期和对环境的响应方式。这些因素集合起来，可以揭示生命的奥秘：生物如何生存，疾病表现的方式以及我们死亡的原因。我们目前还无法确切地知道个体细胞之间是如何协同工作的。

现有的多数临床测序工作都遵循平均法则：对采样组织的细胞群体进行遗传分析——如果把细胞群体类比为人类社会群体（有好人也有坏人），群体分析是难以确定个体之间的微妙差异的——而那些微妙的差异在微观世界里有可能就是驱动疾病病理的原因。以肿瘤组织为例，它们可以包含突变体和健康细胞类型，在特定的微环境中不断发展。如果对这个复杂群体测序就难以分析出最恶性的细胞。免疫组化或活检组织测序可以将组织识别为癌症，但很难分辩出哪些特定细胞是良性的 - 哪些可能逃避治疗，变异并导致进一步转移。

科学家们如今可以使用一种强大技术：单细胞测序，来揭开个体细胞如何运作的精确机制。通过在单个实验中快速分析数千甚至数百万个细胞，现在研究人员将可以查看某种特定疾病的“罪魁祸首”的细胞，以及它们在微环境中如何与周围的其他细胞相互作用，甚至在这个神秘过程中涉及了哪些分子。

单细胞测序于2009年首次被提出，到2013年成为《自然》评选的“Method of the Year”。成本和技术障碍最初限制了其应用—— 但随着测序变得更加经济，生物信息学分析变得更加可靠，单细胞测序领域已经开始迅猛发展。学术界和制药公司都在越来越迫切地寻求掌握应用这种强大新技术的方法。拷问个体细胞的身份和作用已不断为基础生物学提供令人惊叹的新观点——同时为药物开发提供了丰富的材料。

“想象一下作为一名生物学家，从没有显微镜到突然得到一台显微镜时的改变，”英国威康桑格研究所的儿科肿瘤学家和单细胞研究员Sam Behjati博士说。 “这就是单细胞测序的深刻程度。它让我们看到了以前没见过的东西;它给了我们一本关于生命的新指南。”“癌症不是单一种突变 - 它可能是不同细胞上的许多突变共同作用从而驱动疾病。”“在这种情况下，单细胞测序的价值在于能够观察突变如何协同作用来驱动疾病，”Silver说。这就像人口统计告诉你美国家庭平均有1.2个孩子，实际上没有哪个家庭有1.2个孩子，这种方法会告诉你哪些家庭有6个孩子，哪些家庭有1个孩子。

（高通量）单细胞测序的工作原理：
将癌症活检组织解离，将数千个细胞分别锁定在微流控芯片上一一对应的微管中，然后用一系列酶和化学试剂处理以提取出遗传物质。然后用“条形码”分别标记每个细胞—这里的条码是指一种独特的基于DNA或RNA的标识序列，可插入细胞的遗传密码中。然后检测细胞的一组预定义变异情况：科学家可以检查它们是否携带某组基因，或表达参与疾病发病机制的特定分子。数据进行聚类分析，科学家可以利用这些数据按照细胞功能和特征对细胞进行分类。这种分析不是对组织样本的遗传谱进行平均，而可以实现对每种不同细胞类型进行量化—并且可以隔离异常值。

“在患者接受治疗之后，如果我们从患者样本中分析10,000个细胞，那么经常会发现少数残留癌细胞，这仍然是疾病的指示，最终导致复发和恶化的原因，”Silver说。他所在的Mission Bio正在与全国各地的顶级机构合作—包括MD安德森，西奈山国家癌症研究所和斯坦福癌症中心—通过患者组织样本寻找分析治疗后残留的癌细胞。他认为单细胞测序有望最终帮助临床医生了解是否需要针对特定残留细胞类型定制疗法。 Silver表示，该工具对联合治疗具有特殊意义，可用于临床试验设计。

单细胞测序仍然不便宜。

10X Genomics是一家专门从事单细胞分析的生物技术公司，提供该技术所需的微流体仪器。该公司首席科学官Ben Hindson表示，研究10,000个细胞所需材料的成本，加上测序成本（根据所研究的内容而有所不同），价格不菲。但即使价格不菲，对于对这项技术感兴趣的研究实验室和大型制药公司来说，它是可以够得着且值得的。

“我们希望这些仪器遍布全球所有实验室，因为我们认为这才是细胞测序分析的正确打开方式，”Hindson说。

近期该公司的网络研讨会将在12月4日举行，大家可以点击以下链接参与：

http://www.ebiotrade.com/custom/10x/181123/index.html

人类细胞图谱Human Cell Atlas项目—一项旨在为人体中每种细胞类型创建详细分类的全球性计划—提升了单细胞测序的必要性。该项目的资金部分来自扎格伯格的Chan Zuckerberg Initiative，这是由Facebook首席执行官Mark Zuckerberg和他的妻子Priscilla Chan博士发起的，旨在治疗预防或管理“在我们孩子一生中”的可能遇到的所有疾病。尽管该倡议仍处于初级阶段，但科学家们已在通力合作，不断提出与基础人类生物学有关的有意义的新见解。

艾伦脑科学研究所的研究员艾德莱因正致力于解开人脑的细胞组成。他说，这个想法是对大脑皮层进行逆向工程，尝试了解其中所有类型的细胞—然后对它们如何连接在一起进行了解。单细胞测序是他研究的中心。他说，这种技术的优势在于它允许您在每个细胞中检测5,000到10,000个基因，并在数千个细胞中进行这种检测。这项工作取得了丰硕成果：今年夏天，Lein团队宣布在单细胞规模上使用RNA测序来发现一种被称为“玫瑰果细胞”（rose hip cell）的新型神经元——这名字来源是因为其轴突或神经纤维像一朵没有花瓣的玫瑰。这些细胞似乎只存在于人体中，被认为可以控制信息如何从大脑的某个部分流向其他部分。

该研究通过尸检分析了一部分人脑，其中包括对数千个细胞的细致分析。“这个领域进展得如此迅猛，而且很快，”莱因说，“就在几年前，研究几十个转录组还是一项完全合理的研究。现在，我们正在进入研究数百万细胞的领域。”

高通量单细胞测序技术还帮助疾病病理学家得到了一些有趣的结论。以哮喘为例：丹佛国家犹太健康中心基因，环境和健康中心的研究人员Nathan Jackson发现了在严重哮喘发作期间引发疾病的罪魁祸首。他分析了参与2型高哮喘的细胞。这种哮喘大约占哮喘患者的一半，是由信号蛋白水平升高引起的，这种信号称为2型细胞因子，可促使肺部表面的细胞排出粘稠的粘液，最终会引发与哮喘相关的呼吸困难。

通过用单细胞测序分析RNA，Jackson和他的同事发现了促进粘液产生的特定基因和蛋白质。此外，他们发现了这些上皮肺细胞的11种不同状态，因为它们响应于环境中的触发而发生变化，从无害变为引起疾病的刺激细胞。他们用来自698名2型高哮喘儿童的鼻拭子的RNA表达进行了交叉检查—这一结果得到了证实。

杰克逊说，了解在哮喘中致病的精确细胞过程可能会引发治疗哮喘研究的新浪潮。而且这种方法不仅仅限于哮喘：确定导致特定细胞类型功能障碍的途径，可以让科学家开发专门针对特定人群的药物。

杰克逊说：“这项技术一推出，我们就会意识到会发现这么多唾手可得的成果。” “我们可以用单细胞测序来回答这么多问题。”

（生物通）