俗話說，十年是個風水嶺，單細胞轉錄組技術發展至今十年間，在促進對生物學和疾病的認識上發揮出的巨大潛力有目共睹。那么，十年間單細胞轉錄組是如何發展至今的？又取得了哪些新的進展呢？今天，讓我們跟隨Sarah Aldridge和Sarah Teichmann兩位大神，一起來回顧單細胞轉錄組學技術十年發展。

一、過去十年中單細胞轉錄組學技術是如何發展的？

單細胞轉錄組學技術是2009年北大湯富酬老師等人通過少數小鼠原始生殖細胞，基于高通量測序技術，實現了在單個細胞中對mRNA全基因組檢測。此后，單細胞轉錄組學技術不斷發展創新，包括標簽測序方法（例如STRT-seq和CEL-seq，MARS-seq）、全長測序（例如SMART-seq / SMART-seq2）等。真正實現高通量單細胞測序技術的發展是后續開發的納米液滴，微孔技術和原位條形碼技術。這些技術的發展與完善, 使得單細胞轉錄組測序技術進入高通量與自動化的全新時代。

圖1 單細胞技術的發展歷程

單細胞轉錄組學的實驗技術發展，數據處理等不斷進步，對于揭示標記基因以及鑒定細胞發育軌跡等至關重要，也正是這些技術的進步，催生出了新一代檢測技術——空間轉錄組學技術。

空間轉錄組測序能在保留空間位置信息的同時檢測基因表達。由Stahl等人開發的空間轉錄組學測序方法是最早的，可用于檢測整個轉錄組以及空間位置的轉錄組檢測技術（無法達到單細胞分辨率）。而最新發表的研究已經從技術上實現了單細胞分辨率的空間轉錄組檢測。隨著單細胞轉錄組學和空間轉錄組學的結合，越來越多的細胞圖譜出世，這些圖譜以高分辨率繪制了所有細胞基因活動的空間位置圖。

二、單細胞轉錄組學正在改變我們對健康和疾病的理解

在單細胞技術發展的推動下，人類細胞圖譜（HCA）全球聯盟于2016年創立，以繪制人體的“谷歌地圖”。單細胞層次的轉錄組數據在人體上的價值是深遠的，健康的人體組織和模型生物參考圖譜將為衰老，疾病和精準治療提供基礎背景（圖2）。

圖2 單細胞技術的應用

通過人體組織細胞圖譜，我們對基礎生物學有了新的認識。比如在孕早期母胎界面發現新的細胞狀態（例如NK和基質細胞），揭示健康妊娠背后的機制，并加深了我們對這些機制改變（例如先兆子癇）的認識。這些新的認識正在改變我們對于疾病的理解。

在最近幾個月里，單細胞轉錄組學還被用于新型冠狀病毒COVID-19的研究，提高我們對新型冠狀病毒感染的生物學理解。在一系列組織中，對冠狀病毒受體、感染相關基因的單細胞表達分析，提供了對病毒傳播潛在位點的認識。這為進一步研究感染，傳播和制定預防和治療的臨床策略提供數據基礎。

三、單細胞轉錄組學的應用前景

目前，單細胞轉錄組學在人類健康方面主要涉及以下四個方向：胚胎發育、組織器官發育、免疫系統和腫瘤的研究。

一些新的領域，如用于改進體外細胞模型（如類器官）的工程設計，也將受益于單細胞轉錄組的數據結果�；�于HCA數據提供的細胞狀態的高維描述，包括從孕早期人類胚胎發生開始的發育途徑，為體外模型提供了精確的模板，并且通過比較體內和體外數據，我們可以預測生成改良的體外系統（如iPSC衍生的細胞和類器官）所需的潛在因素。

圖3 體外細胞模型

隨著空間轉錄組學技術分辨率的提高，對于研究具有復雜形態的組織中的細胞具有廣闊的前景。越來越多的研究表明，單細胞轉錄組學可以應用于醫學上重要領域，包括基于細胞的模型，細胞療法，再生醫學和靶標發現。

單細胞轉錄組學發展至今也不過十年時間，但是卻在這十年里發生了革命性的變化，相信下一個十年，會有更大的驚喜等著我們。小伙伴們是不是心癢難耐，想了解更多呢？趕快聯系我們，搭乘這趟高速前進的列車吧。

文章來源
Single cell transcriptomics comes of age. Nature Communications, 2020, 11:4307| https://doi.org/10.1038/s41467-020-18158-5.