單細(xì)胞測序技術(shù)將徹底改變整個(gè)生物科學(xué)

Single-cell sequencing-based technologies will revolutionize whole-organism science

全文鏈接： https://www.nature.com/articles/nrg3542

核心觀點(diǎn)

DNA測序技術(shù)的發(fā)展使得能夠分析單細(xì)胞的基因組和轉(zhuǎn)錄組箩绍，并且很快將實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞表觀基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析。

單細(xì)胞基因組分析可揭示單個(gè)細(xì)胞之間的基因組變異性乘综，并用于以譜系樹的形式重建細(xì)胞祖先愉阎。

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析可用于研究單個(gè)細(xì)胞的功能狀態(tài)并以無偏差的方式推斷和發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類型炫欺。

基于高通量測序整合單細(xì)胞分析螃概，將能夠同時(shí)分析細(xì)胞的基因組砍聊，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表觀基因組丈氓。這些數(shù)據(jù)將揭示細(xì)胞的類型及其祖細(xì)胞白胀，并以它們的當(dāng)前功能狀態(tài)椭赋，推斷它們的祖細(xì)胞的類型和功能狀態(tài)。

單細(xì)胞綜合分析或杠，將揭示生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的基本問題哪怔，包括癌癥起源和發(fā)生，人類細(xì)胞類型的數(shù)量和關(guān)系，以及再生組織中細(xì)胞更新的速率和結(jié)構(gòu)认境。

Methods for single-cell isolation-單個(gè)細(xì)胞的分選方法

生物體有成千上萬種細(xì)胞類型胚委，有多種方法可以從生物體組織中分離出單個(gè)的細(xì)胞。（主要分為隨機(jī)和靶向分離兩種）

號外：分離細(xì)胞是單細(xì)胞研究中最困難的步驟之一叉信。目前的單細(xì)胞分離策略主要分為三類：手動分離亩冬、熒光激活的細(xì)胞分選和微流體技術(shù)。在進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄分析之前硼身，我們需要確定自己拿到了正確的細(xì)胞硅急。如果你想要的細(xì)胞已經(jīng)處于懸浮狀態(tài)（比如循環(huán)腫瘤細(xì)胞），而且含量相對比較豐富佳遂，那么流式細(xì)胞分析將是你的理想選擇营袜。如果樣本是實(shí)體組織，我們可以用酶分解掉膠原和其他細(xì)胞外蛋白丑罪。不過酶學(xué)消化對細(xì)胞影響較大荚板，甚至可能改變基因轉(zhuǎn)錄情況。把組織細(xì)胞制成懸液之后吩屹，我們就可以通過特異性的熒光標(biāo)簽分離出自己想要的細(xì)胞跪另。進(jìn)一步拿到單細(xì)胞是比較棘手的一步，可能需要用到微流體設(shè)備煤搜。將細(xì)胞分散到懸液中免绿，會失去它們在組織里的位置信息。如果你想要了解單細(xì)胞所處的環(huán)境擦盾，就得使用激光捕獲顯微切割技術(shù)针姿。這種技術(shù)通過掃描組織切片定位目的細(xì)胞，并將其提取出來厌衙。操作者需要非常小心，以免切到細(xì)胞或細(xì)胞核绞绒。數(shù)量最為稀少的細(xì)胞只能用毛細(xì)管等器具手動獲取婶希。

從實(shí)體組織中分離單個(gè)細(xì)胞關(guān)鍵兩步：

第一步，（單個(gè)細(xì)胞）通常是用酶解的方式把離體或者活體分解成單個(gè)的細(xì)胞蓬衡；

第二步喻杈，單個(gè)的細(xì)胞必須在單個(gè)的反應(yīng)器中進(jìn)行裂解和進(jìn)一步的分析。

四種方式獲得單個(gè)細(xì)胞及其優(yōu)缺點(diǎn)（Table 1）：

顯微操縱（精密控制）（micromanipulation）

熒光激活的流式分選：flow sorting using fluorescence-activated cell sorting (FACS)

激光捕獲顯微切割（Laser Capture Microdissection狰晚，LCM）

http://www.tj3zx.cn/system/2016/06/27/012259863.shtml

微流體技術(shù)（microfluidic device）

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Single-cell genomics

Reconstructing cell lineage trees using somatic mutations.

基于體細(xì)胞突變重建細(xì)胞譜系圖筒饰。

最初，人們認(rèn)為同一個(gè)個(gè)體不同的細(xì)胞具有完全相同的基因組的觀點(diǎn)證明是錯(cuò)誤的壁晒。體細(xì)胞分裂時(shí)DNA的復(fù)制不可能絕對精確無誤-引起體細(xì)胞突變瓷们。體細(xì)胞突變從受精卵階段開始積累，這些突變具有很高的幾率賦予我們身體中的每個(gè)細(xì)胞具有獨(dú)特的基因組特征。體細(xì)胞獨(dú)特的基因組信號可以構(gòu)建精度很高的細(xì)胞譜系谬晕。人類生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中尚未解決的核心問題實(shí)際上是關(guān)于人類細(xì)胞譜系樹的問題：它在發(fā)育碘裕，生長，更新攒钳，衰老和疾病中的結(jié)構(gòu)帮孔，動力學(xué)和變異性。完全了解每個(gè)細(xì)胞中積累的獨(dú)特體細(xì)胞突變將允許我們以極高的精度重建細(xì)胞譜系樹不撑。

Cell lineage reconstruction of cancer will elucidate its development.

癌細(xì)胞譜系重建將闡明其發(fā)展過程

細(xì)胞譜系重建癌癥將闡明其發(fā)展文兢。癌癥患者通常不會死于腫瘤的發(fā)生，而是死于癌癥轉(zhuǎn)移焕檬。然而姆坚，盡管進(jìn)行了數(shù)十年的研究，關(guān)于轉(zhuǎn)移灶起源于何處的關(guān)鍵問題尚未得到徹底的闡述（圖2）揩页。轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞的來源癌癥病灶中的任何一個(gè)細(xì)胞還是來自于不腫瘤亞克驴醭ァ？或是來自于腫瘤干細(xì)胞爆侣？或者是轉(zhuǎn)移來自腫瘤細(xì)胞和正常移動的巨噬細(xì)胞融合形成的雜合體萍程？化療后癌癥復(fù)發(fā)的原因，可能是普通腫瘤細(xì)胞隨機(jī)逃避化療引起的兔仰？癌細(xì)胞譜系對解答這些問題至關(guān)重要茫负。

早期的實(shí)驗(yàn)分析了每個(gè)細(xì)胞中的幾個(gè)關(guān)鍵標(biāo)記。在最近的一個(gè)例子中乎赴，通過熒光原位雜交（FISH）測定單個(gè)細(xì)胞中多達(dá)8個(gè)染色體畸變及其組合的發(fā)生率忍法，來研究了急性淋巴母細(xì)胞白血病的異質(zhì)性和腫瘤起源。這使得在癌癥進(jìn)展過程中可以分析亞克隆結(jié)構(gòu)榕吼。最近饿序，使用數(shù)百個(gè)單核的測序產(chǎn)生個(gè)體乳腺癌細(xì)胞的近似拷貝數(shù)分布，從而重建腫瘤群體結(jié)構(gòu)和進(jìn)化歷史羹蚣。在另一項(xiàng)研究中原探，對患有骨髓增生性腫瘤的患者的全外顯子組進(jìn)行單細(xì)胞測序，以重建腫瘤祖細(xì)胞并識別出候選驅(qū)動突變顽素。

使用二代測序構(gòu)建的體細(xì)胞突變譜系示蹤咽弦，已經(jīng)在體內(nèi)大量細(xì)胞群體中得到了證實(shí)，但對于單個(gè)細(xì)胞尚無報(bào)道胁出。且bulk測序不能顯示型型，關(guān)于突變或畸變的不同組合的準(zhǔn)確信息，解決此類問題有待構(gòu)建癌細(xì)胞的單細(xì)胞譜系分析

通向單細(xì)胞基因組學(xué)的道路全蝶。

雖然闹蒜，現(xiàn)在對細(xì)胞群體的DNA進(jìn)行測序已經(jīng)變得很容易寺枉，但對來自單細(xì)胞的DNA進(jìn)行測序仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管最近通量有所提高嫂用，獲得足夠深度的多個(gè)單細(xì)胞測序分析的成本仍然很高型凳，這已經(jīng)成為限制大規(guī)模應(yīng)用單細(xì)胞基因組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表觀基因組學(xué)的阻力嘱函。下面是對測序DNA測序建庫甘畅、

Single-cell transcriptomics

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)

The molecular state of cell populations

細(xì)胞群的分子狀態(tài)

給定異質(zhì)細(xì)胞群，測量關(guān)鍵因子的平均值往弓，例如基因型疏唾，RNA輸出或目標(biāo)基因座的表觀遺傳狀態(tài)，僅提供系統(tǒng)狀態(tài)的部分表征函似。不幸的是槐脏，用于量化細(xì)胞群的分子狀態(tài)的大多數(shù)方法，從轉(zhuǎn)錄分析到蛋白質(zhì)組學(xué)撇寞，是基于通過平均單個(gè)細(xì)胞的信號來估計(jì)數(shù)百萬個(gè)細(xì)胞的集合中的平均行為顿天。例如，不可能基于微陣列或RNA測序（RNA-seq）數(shù)據(jù)確定基因表達(dá)的細(xì)胞間差異蔑担，或確定信號蛋白的中間水平是否是雙峰或均勻種群內(nèi)的結(jié)果牌废。基于標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)組學(xué)的分布啤握。超越基于平均值的細(xì)胞群表征需要在不同尺度上平衡采樣細(xì)胞的數(shù)量和功能覆蓋的完整性（表2）鸟缕。

Applications of single-cell transcriptomics.

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的應(yīng)用

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的應(yīng)用。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的一個(gè)主要應(yīng)用是分析稀有細(xì)胞類型排抬。例如懂从，可以從患者血液中獲得循環(huán)腫瘤細(xì)胞，但是通常每個(gè)血液樣品僅分離少量細(xì)胞蹲蒲，并且這些細(xì)胞通常會被更多數(shù)量的正常細(xì)胞污染番甩。單細(xì)胞RNA-seq可用于區(qū)分這些細(xì)胞類型，同時(shí)從腫瘤中獲得表達(dá)數(shù)據(jù)届搁。類似地对室，根據(jù)定義，早期人類胚胎僅包含稀有細(xì)胞類型咖祭，其僅存在于瞬時(shí)。關(guān)于早期發(fā)展的關(guān)鍵問題可以使用轉(zhuǎn)錄組學(xué)來解決蔫骂。在這種情況下么翰，轉(zhuǎn)錄組學(xué)具有能夠使用序列多態(tài)性（例如，SNP）來區(qū)分衍生自兩個(gè)親本基因組中的每一個(gè)的轉(zhuǎn)錄物的優(yōu)點(diǎn)辽旋。另一個(gè)將從單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)中獲益的領(lǐng)域是成體干細(xì)胞的研究浩嫌，這種干細(xì)胞通常很少見檐迟，有時(shí)只是短暫存在，并且可以與其他細(xì)胞類型混合码耐。然而追迟，通過使用單細(xì)胞RNA-seq，可以簡單地通過從組織中取無偏倚的細(xì)胞樣品來廣泛地采樣每種細(xì)胞類型骚腥。

單個(gè)細(xì)胞的大小敦间，形態(tài)，發(fā)育起源和功能特性差別很大束铭。然而廓块，盡管在某些特定情況下取得了進(jìn)展，但我們目前對細(xì)胞類型契沫，其起源带猴，進(jìn)化和多樣性的理解程度卻令人尷尬地很差85,86。此外懈万，對哺乳動物體內(nèi)細(xì)胞類型的數(shù)量沒有普遍的一致意見拴清。事實(shí)上，對于什么定義細(xì)胞類型沒有達(dá)成一致会通，找到這樣的定義肯定是我們開展大規(guī)模單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析時(shí)最重要的目標(biāo)之一口予。作為起點(diǎn)，我們建議可以將細(xì)胞類型臨時(shí)鑒定為全局轉(zhuǎn)錄狀態(tài)相似的細(xì)胞渴语。只是相似的苹威，以及轉(zhuǎn)錄組的哪些部分是相關(guān)的，將是未來的關(guān)鍵問題驾凶。但是這種細(xì)胞類型的臨時(shí)概念立即引發(fā)了一種無偏見的細(xì)胞類型發(fā)現(xiàn)方法（圖3）：從感興趣的組織中收集大的牙甫，無偏的細(xì)胞樣本，為每個(gè)細(xì)胞生成轉(zhuǎn)錄組并使用計(jì)算方法來查找集合相似的細(xì)胞调违。建立的聚類和降維方法 - 例如K均值窟哺，親和傳播和層次聚類以及主成分分析 - 將是有用的起點(diǎn)87。由于一些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在分析數(shù)百或數(shù)千個(gè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技肩，我們預(yù)計(jì)很快就會開始進(jìn)行大規(guī)模的全身細(xì)胞類型發(fā)現(xiàn)和表征且轨。

The road to single-cell transcriptomics.

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)之路

通往單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的道路。盡管單分子DNA72,73,74和RNA92測序取得了進(jìn)展虚婿，但尚不可能直接從單細(xì)胞中測序RNA旋奢。目前，RNA需要轉(zhuǎn)化為cDNA并進(jìn)行擴(kuò)增然痊，這必須以最小的損失實(shí)現(xiàn)至朗，并且不會引入太多的定量偏差。

在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組實(shí)驗(yàn)中存在幾種噪聲源剧浸。全局（即锹引，影響細(xì)胞中RNA的總量）和局部（例如由于共調(diào)節(jié)或大規(guī)模染色質(zhì)修飾）存在生物學(xué)波動矗钟。還存在技術(shù)噪音，例如由于移液誤差嫌变，溫度差異吨艇，測序深度的差異，PCR擴(kuò)增偏差和逆轉(zhuǎn)錄效率的差異腾啥。重要的是要認(rèn)識到單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析也是單分子分析东涡，因?yàn)樵S多基因僅在每個(gè)細(xì)胞的少數(shù)mRNA分子中表達(dá)。來自少量分子的擴(kuò)增受蒙特卡羅效應(yīng)的影響碑宴，其中PCR的前幾個(gè)循環(huán)中的隨機(jī)事件以指數(shù)方式放大软啼，導(dǎo)致大的定量誤差。

定量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析的最終目標(biāo)必須是精確計(jì)數(shù)細(xì)胞中的每個(gè)RNA分子延柠，導(dǎo)致接近零的技術(shù)錯(cuò)誤祸挪。例如，如果我們要使用mRNA計(jì)數(shù)分布的形狀來推斷轉(zhuǎn)錄動力學(xué)贞间，則這是必需的贿条。事實(shí)上，通過使用分子的獨(dú)特標(biāo)簽93,94,95,96,97增热，可以實(shí)現(xiàn)精確的分子計(jì)數(shù)整以。在擴(kuò)增和深度測序后，可以鑒定每個(gè)原始分子峻仇。只要樣品的測序深度足夠公黑，使每個(gè)分子標(biāo)記至少觀察一次，擴(kuò)增效率的差異就無關(guān)緊要了摄咆。盡管迄今為止僅使用獨(dú)特的分子標(biāo)記僅用于大量樣品凡蚜，但它是一項(xiàng)關(guān)鍵的進(jìn)步，可能能夠?qū)渭?xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行更加定量的分析吭从。

另一個(gè)錯(cuò)誤來源是損失朝蜘，這可能是嚴(yán)重的。公布的方案的檢測限是5-10個(gè)mRNA分子涩金。如果可能的話谱醇，檢測極限主要取決于樣品制備過程中的損失，這表明80-90％的mRNA丟失步做「笨剩或者，換句話說全度，90％的損失導(dǎo)致大約50％的機(jī)會未能檢測到以7個(gè)mRNA分子（來自二項(xiàng)分布）的水平表達(dá)的基因煮剧。這些損失在小細(xì)胞（例如干細(xì)胞）中尤其成問題，其中mRNA含量開始時(shí)較低讼载。但即使在較大的細(xì)胞中轿秧，由于少量分子的隨機(jī)取樣，這種損失也會引起嚴(yán)重的定量誤差咨堤。例如菇篡，測量100個(gè)具有90％損失的分子導(dǎo)致10±3個(gè)檢測到的分子，這意味著單獨(dú)的損失引入了30％的標(biāo)準(zhǔn)偏差一喘。為減輕技術(shù)噪音的影響驱还，我們建議分析大量單細(xì)胞（方框2）。

最

Single-cell epigenomics and proteomics

單細(xì)胞表觀組和蛋白組

顯然凸克，細(xì)胞的基因組和轉(zhuǎn)錄組僅捕獲其部分狀態(tài)议蟆，并且細(xì)胞的大部分功能由其表觀基因組和蛋白質(zhì)組決定，這增加了群體中細(xì)胞的多樣性萎战。細(xì)胞的表觀基因組狀態(tài)包括表觀基因組標(biāo)記咐容，例如DNA甲基化和組蛋白甲基化和乙酰化蚂维，與染色質(zhì)結(jié)合的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)蛋白戳粒，增強(qiáng)子和形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的啟動子之間的空間相互作用，以及染色體的三維方向虫啥。大塊亞硫酸氫鹽測序提供了關(guān)于基因座處的成簇CpG位點(diǎn)組的平均DNA甲基化狀態(tài)的信息蔚约。 CpG甲基化的消耗與轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)，并且可能是調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的結(jié)果涂籽。批量實(shí)驗(yàn)可以提供細(xì)胞或等位基因內(nèi)甲基化分布的數(shù)據(jù)105,106苹祟，或差異甲基化隨機(jī)出現(xiàn)的支持模型107。然而评雌，在大量實(shí)驗(yàn)中树枫，通常不可能確定兩個(gè)甲基化位點(diǎn)是否實(shí)際存在于單個(gè)細(xì)胞中，除非甲基化位點(diǎn)非常接近以至于它們可以在單個(gè)測序讀數(shù)中檢測到柳骄。染色質(zhì)免疫沉淀团赏，然后測序（ChIP-seq）用于研究全基因組的蛋白質(zhì)-DNA相互作用108，以及產(chǎn)生組蛋白修飾的全基因組圖譜耐薯。 ChIP-seq已被用于確定轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的全基因組模式及其與活性轉(zhuǎn)錄和表觀基因組標(biāo)記的關(guān)系舔清。使用染色體構(gòu)象分析及其所有衍生方法（例如，3C109,4C110和Hi-C111）曲初，還可以直接測量遠(yuǎn)端染色質(zhì)元件之間的相互作用体谒，從而揭示細(xì)胞核內(nèi)的大規(guī)模染色體組織，以及作為個(gè)體基因座增強(qiáng)子 - 啟動子相互作用的更精細(xì)細(xì)節(jié)臼婆。然而抒痒，再次，通過使用大量實(shí)驗(yàn)颁褂，不可能知道復(fù)雜的染色質(zhì)構(gòu)象或結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子的組合是否實(shí)際存在于單個(gè)細(xì)胞中故响。例如傀广，考慮腫瘤樣本的分析。轉(zhuǎn)錄因子與啟動子結(jié)合并且相應(yīng)基因被轉(zhuǎn)錄的觀察結(jié)果不一定意味著這兩個(gè)事件發(fā)生在同一細(xì)胞中彩届。相反伪冰，有可能在腫瘤中發(fā)生一個(gè)事件而在浸潤的基質(zhì)細(xì)胞中發(fā)生另一個(gè)事件。需要在單個(gè)細(xì)胞中組合測量表觀基因組和轉(zhuǎn)錄組狀態(tài)以解決該問題樟蠕≈簦基于測序的方法在單細(xì)胞表觀基因組學(xué)中的廣泛應(yīng)用尚未見報(bào)道。將表觀遺傳學(xué)擴(kuò)展到單細(xì)胞水平的挑戰(zhàn)與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)相似：避免材料損失和最小化定量偏差寨辩。由于這個(gè)原因吓懈，在單個(gè)細(xì)胞中應(yīng)該相對容易地檢測廣泛且大部分二元標(biāo)記，例如DNA甲基化和組蛋白修飾靡狞。實(shí)際上耻警，已經(jīng)證明了DNA甲基化112,113和組蛋白修飾114的概念驗(yàn)證單細(xì)胞表觀遺傳分析。相比之下耍攘，ChIP-seq靶向單細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)榕栏，因?yàn)槿魏螁蝹€(gè)細(xì)胞中存在少量轉(zhuǎn)錄因子，對其靶序列的親和力低以及抗體通常不完美蕾各。將表觀遺傳標(biāo)記用于大量細(xì)胞群以分析結(jié)腸直腸癌的動態(tài)41,115,116并構(gòu)建結(jié)腸隱窩干細(xì)胞的譜系樹117,118,119扒磁。蛋白質(zhì)組學(xué)分析方法包括蛋白質(zhì)陣列120，F(xiàn)ACS分析121式曲，共免疫沉淀122妨托，下拉分析123和質(zhì)譜分析124，它們揭示樣品中不同的蛋白質(zhì)性質(zhì)（例如吝羞，蛋白質(zhì)濃度或蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)相互作用）兰伤。還開發(fā)了基于DNA的蛋白質(zhì)組學(xué)分析的方法 - 例如，免疫-PCR125和鄰近連接測定126-并且最近使用NGS7,127應(yīng)用這些方法钧排。與表觀基因組學(xué)一樣敦腔，基于測序的方法在單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)中的廣泛應(yīng)用尚未見報(bào)道，盡管已經(jīng)發(fā)表了初步的概念驗(yàn)證研究[128,129]恨溜。

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是轉(zhuǎn)錄波動的表征符衔。 RNA含量的動態(tài)變化與循環(huán)過程相關(guān)，例如細(xì)胞分裂和晝夜節(jié)律的細(xì)胞周期糟袁。其他波動是隨機(jī)的判族，反映了轉(zhuǎn)錄是由許多概率步驟組成的離散過程的事實(shí)。通過細(xì)胞分裂時(shí)細(xì)胞內(nèi)容的不均勻分配引入了進(jìn)一步的異質(zhì)性（例如项戴，參考文獻(xiàn)88）形帮。大量單細(xì)胞的直接轉(zhuǎn)錄組分析應(yīng)該開啟對未受干擾的細(xì)胞群中振蕩和隨機(jī)調(diào)節(jié)過程的研究。在假定相同的細(xì)胞群中，可以鑒定多組共同調(diào)節(jié)的基因辩撑。每組必須是功能過程的一部分界斜，例如振蕩器或隨機(jī)過程。例如合冀，共享共同上游調(diào)節(jié)因子的基因可能會顯示相關(guān)表達(dá)锄蹂。目前，為了發(fā)現(xiàn)協(xié)變基因而必須分析的單個(gè)細(xì)胞的數(shù)量是未知的水慨，并且在不久的將來找到這些數(shù)字的第一估計(jì)將是關(guān)鍵任務(wù)。還有證據(jù)表明轉(zhuǎn)錄受到強(qiáng)烈的內(nèi)在波動89,90敬扛。解釋這種內(nèi)在噪聲的模型可以預(yù)測mRNA拷貝數(shù)分布的形狀晰洒，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的分布進(jìn)行測試89。這種測試不能使用批量測量來進(jìn)行啥箭，批量測量不提供有關(guān)方差或任何更高時(shí)刻的任何信息谍珊。盡管如此，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析僅提供了及時(shí)的快照急侥，并且通過例如延時(shí)顯微鏡91進(jìn)行動態(tài)的長期測量來補(bǔ)充該視圖仍然是重要的砌滞。

conclusion

結(jié)論

單細(xì)胞是生命的基本單位。因此坏怪，單細(xì)胞分析不僅僅是更進(jìn)一步地邁向更敏感檢測贝润，而且是對生物學(xué)更基本原理理解質(zhì)的飛躍。在這里铝宵，我們描述了基于單細(xì)胞測序分析的最新進(jìn)展打掘。這些進(jìn)展包括單個(gè)細(xì)胞的基因組和轉(zhuǎn)錄組測序，我們預(yù)測很快就可以在數(shù)千甚至數(shù)百萬個(gè)細(xì)胞中的核酸完成全基因組測序鹏秋。此外尊蚁，我們也描述了如何將細(xì)胞現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為基于DNA序列的讀數(shù)。例如侣夷，可以通過ChIP-seq將諸如組蛋白修飾的表觀基因組標(biāo)記轉(zhuǎn)化為DNA信號横朋。類似地，蛋白質(zhì)修飾和相互作用可通過鄰近連接測定法轉(zhuǎn)化為DNA信號百拓。

DNA測序的海量信息及其不斷增長的勢頭琴锭，意味著許多不同的細(xì)胞現(xiàn)象可轉(zhuǎn)化為DNA讀出。這種融合的結(jié)果應(yīng)該允許多種模態(tài)的綜合測量耐版。這種整合的可行性已經(jīng)在基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析中得到證實(shí)祠够，并且同時(shí)分析單細(xì)胞中的DNA，RNA和蛋白質(zhì)可用于定量描述分子生物學(xué)的中心法則粪牲。盡管單細(xì)胞分析方法正在快速發(fā)展古瓤，但在單細(xì)胞整合分析中同時(shí)分析多種特性仍待開發(fā)。細(xì)胞特性之間的生化差異導(dǎo)致分析它們的方法需要改變。并有待開發(fā)通用性的單細(xì)胞多特性分析測量落君。這種整合單細(xì)胞遺傳穿香，表觀遺傳，轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)組學(xué)的分析方法（圖1）绎速，將允許構(gòu)建多個(gè)分子標(biāo)記之間的關(guān)系皮获，無偏見的識別復(fù)雜細(xì)胞群結(jié)構(gòu)，直接或間接表征其之間的因果關(guān)系纹冤。開發(fā)復(fù)雜的單細(xì)胞遺傳分析方法可以更好地理解這些細(xì)胞特性洒宝，并重新定義“細(xì)胞類型”的概念。這種整合的可行性已經(jīng)在基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析中得到證實(shí)萌京。

最后雁歌，在發(fā)育過程中單個(gè)細(xì)胞的突變的積累，可以用于推斷每個(gè)細(xì)胞的祖細(xì)胞知残。雖然細(xì)胞命運(yùn)圖描述了特定狀態(tài)下細(xì)胞的下一潛在狀態(tài)靠瞎，但并不能獲得它們的精確譜系關(guān)系。相比之下求妹，使用體細(xì)胞突變重建細(xì)胞譜系樹乏盐，不但能獲得細(xì)胞間的譜系關(guān)系，還可以提供它們祖細(xì)胞的狀態(tài)信息制恍。我們預(yù)計(jì)父能，對單細(xì)胞進(jìn)行的綜合分析將為推動小鼠和人類等高等生物研究發(fā)展提供動力。如果采樣細(xì)胞的狀態(tài) - 由它們的轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組決定净神，并且可由它們的蛋白質(zhì)組進(jìn)一步增強(qiáng) - 構(gòu)成重建細(xì)胞譜系樹的葉子法竞，那么可以精確的知道，其祖細(xì)胞的狀態(tài)强挫；由譜系樹內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可以形式化為數(shù)學(xué)模型岔霸。這將允許擴(kuò)展重建范圍來描述其狀態(tài)改變的動態(tài)，并將細(xì)胞譜系樹與細(xì)胞命運(yùn)整合在一起俯渤。

高等生物的細(xì)胞譜系樹可以回答人類生物學(xué)與醫(yī)學(xué)中的許多開放性問題呆细，并且有可能將醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)性化的診斷和治療。大約十年前八匠，就有人提出絮爷，單細(xì)胞基因組學(xué)的發(fā)展可能會開啟“人類細(xì)胞譜系項(xiàng)目”，并以重建整個(gè)人類細(xì)胞譜系樹為目的梨树。我們相信坑夯，對單細(xì)胞測序技術(shù)的回顧和發(fā)展將是我們更接近使實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并將徹底改變整個(gè)有機(jī)體科學(xué)抡四。