BioTechniques：单细胞多组学技术的发展和应用

自从单细胞测序在2013年被Nature评为年度技术以来，这项技术正在迅速普及。同时，它还带动了另一种技术的发展，那就是多组学（multiomics）技术。2013年多组学还相对默默无闻，如今在PubMed中搜索，2021年就有2100多篇相关论文，几乎相当于前两年的总和。

近日，《BioTechniques》杂志聚焦了这两者之间的关联，发表了一篇题为“Single-cell sequencing: the technological revolution behind a new wave of multiomic studies in basic and cancer research”的文章。

作者Tristan Free认为，在有了单细胞技术之后，研究人员的能力越来越强，可以使用多组学方法来解决多个研究领域中的问题。他认为两个因素促成了这种增长。一个是现有技术越来越丰富，大大增加了从单个细胞中获得的信息量。另一个是技术之间兼容性更好，能够同时收集不同层次的组学信息。

新兴领域——调控组

调控组（regulome）指的是细胞内调控因子的集合，它们通过染色质可接近性等因素控制基因表达，并调控表达程序来定义细胞。斯坦福大学医学院的两个实验室是这个新兴领域的领头羊，它们分别由Will Greenleaf教授和Howard Chang教授领导。

Greenleaf教授认为，单细胞技术的进步和多组学的兴起对这一领域的发展至关重要。“调控组的研究意味着要将蛋白质与DNA/RNA的相互作用转化成高通量测序仪可测序的东西。”为了捕获研究调控组所需的多层次信息，需要使用多种技术。单细胞RNA测序和蛋白质测序可以了解细胞内发生了什么，至于为什么会发生，这就需要用到ATAC-seq技术。

2013年，两个研究团队在《Nature Methods》杂志上发表了ATAC-seq技术的开山之作，利用Tn5转座酶对染色质进行切割，从而绘制基因组中的开放染色质区域。Greenleaf在介绍ATAC-seq的开发时，也强调了将该方法应用于单个细胞的重要性，可以避免复杂样本的“可怕平均值”。

他举了一个很有意思的例子来说明：“如果一艘船从美国东部行驶到西部，你可以穿过巴拿马运河，也可以绕过南美洲的底部。如果一平均，就变成了穿过巴西，事实上没有船走那条路线。将事情平均起来，你会得到误导性的信息。”

Greenleaf希望通过调控组的研究来了解细胞如何分化为不同的发育状态。利用单细胞多组学方法，他能够观察到染色质可接近性的变化，以及不同时间点的基因表达和蛋白质丰度变化。这有助于认识细胞中导致分化的整体通路变化。他认为，这也可以帮助我们了解细胞如何分化为癌细胞。

新领域，老对手

Tristan Free表示，几乎所有能够额外信息或细节的新技术都被用于对付癌症。因此，随着癌症异质性的确立，无论是个体之间还是同一肿瘤内，单细胞技术被纳入癌症研究也就不足为奇了，人们还是想避免“可怕的平均值”。

自2016年以来，Greenleaf和Chang实验室利用他们开发的工具深入研究白血病，并试图改进癌症治疗方法。他们发表了一系列论文。在第一篇发表于《Nature Genetics》的论文中，他们采用Fast-ATAC-seq（针对血细胞优化的ATAC-seq方案）和RNA-seq来研究急性髓系白血病（AML）患者的血液样本的染色质可接近性和转录图谱。

三年后，两个团队重新审视了白血病的调控图谱，将研究重点扩大到混合表型急性白血病（MPAL）。为此，他们设计了一个单细胞框架，可以实现蛋白质定量、转录组分析和染色质可接近性分析。该框架的核心是10x Genomics公司的两个单细胞测序工具：微滴式scATAC-seq和CITE-seq。通过这项研究，他们发现了一个潜在的致癌基因RUNX1，被认为调控了与MPAL生存率低相关的恶性基因。

在那之后，其他团队也发表了一些文章，利用单细胞多组学技术来探索肺癌异质性并建立这些癌症背后的常见调节因子。同时，研究人员也将目光转向肿瘤以外，探索肿瘤与 T 细胞之间的关系。

从科研到临床

文章还提到，癌症研究的另一个趋势是免疫疗法的开发。然而，这些疗法的主要障碍在于肿瘤微环境中的T细胞耗竭和功能障碍。针对这个问题，Greenleaf和Chang团队试图建立与耗竭状态的形成和维持相关的调控网络。

研究人员比较了CD19-28Z-CAR-T 细胞和HA-28z-CAR-T 细胞的染色质结构，已知后者更容易耗竭。对于HA-28z-CAR-T 细胞，他们发现耗竭相关基因（如PDCD1）附近位点的染色质可接近性更高。其中许多位点富含转录因子AP-1的结合域，增加了这种转录因子与DNA的结合。众所周知，AP-1会促进CAR-T细胞的耗竭。转录组图谱则揭示了表观遗传变化后这些耗竭相关基因的表达增加。

之后，他们利用CRISPR技术切除了控制PDCD1表达的基因组调控元件，成功降低了PD-1的表达。这是朝着降低CAR-T疗法的T细胞耗竭迈出了重要一步，也揭示了在改进免疫疗法时可编辑的一组新靶点。这项研究也突出了单细胞多组学技术的转化价值。

最后，Tristan Free还列出了单细胞和多组学技术在多个领域的应用，比如新冠肺炎研究和神经科学研究，让人们对多种疾病有了新的认识。他认为，随着这些技术的不断发展和进步，应用它们的研究领域和研究人员将继续增加。

原文检索

Single-cell sequencing: the technological revolution behind a new wave of multiomic studies in basic and cancer research

https://doi.org/10.2144/btn-2021-0088