什么是单细胞测序技术？(上篇)

单细胞测序技术是指在单个细胞水平上，对基因组、转录组、表观组等遗传信息进行高通量测序分析的一项技术。但是，单细胞测序并不是仅对单个或者几个数量的细胞进行测序研究。根据样本类型和应用需求，在单细胞分辨率下测序的细胞数目可以达到成千上万。那么既然数目这么多，为什么不一次测完，而要进行单细胞测序呢？众所周知，世界上没有完全相同的两片叶子，也没有完全相同的两个人。细胞是生命的基本单位，尽管多细胞生物都是由一个细胞发育而来，但是随着分裂分化过程的进行，细胞与细胞之间也会产生差异，这些差异决定了细胞最终的类型和功能 (图1)。其实，即使同一类型的细胞，细胞与细胞之间也是存在异质性的，而且这种差异随着分化时间和分裂次数的增加会越来越大。另外，同一细胞在不同时间下也是存在差异的，这就有点像“人不能两次踏进同一条河流”一样的道理。

图1：细胞的分化发育示意

单细胞测序像快照，能够捕获不同发育时间下不同机体组织、不同类型的细胞，让研究的视角有更精细的分辨率。我们传统的测序方法，是在组织水平或者说多细胞水平上进行的，最终得到的遗传数据其实是从多个或者多类细胞中得到的平均值，但是却丢失了细胞异质性的信息。而单细胞测序，则能够在更精细的单个细胞水平上获得遗传信息，从而揭示每个细胞的基因结构和基因表达状态，反映混杂样品测序所无法得到的异质性信息和稀有细胞的遗传信息（图2）。

图2：单细胞测序与传统测序的区别

(注：参考https://www.10xgenomics.com/blog/single-cell-rna-seq-an-introductory-overview-and-tools-for-getting-started)

2013年，单细胞测序技术被《Nature Methods》评为年度技术^[1]。同年，《Science》将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首^[2]，并认为该技术将改变生物界和医学界的许多领域。由于单细胞测序技术具有广阔的应用前景，2015年该技术再度登上《Science Translational Medicine》封面^[3]。

图3：单细胞测序技术登上顶刊

随着技术的更新和突破^[4]，单细胞测序技术由早期的高成本、低通量、低精确度及低自动化发展到目前的低成本、高通量、高准确率、高自动化，效率和应用得到飞速提升，能够快速确定成千上万个细胞的精确基因表达模式，分析每个细胞的遗传异质性，从而在神经生物学、器官生长、癌症生物学、临床诊断、免疫学、微生物学、胚胎学、产前基因诊断等多个领域发挥重要作用，使科研产出逐年递增，正在成为生命科学研究的焦点之一 (图3-图5)。

图4：单细胞技术的发展^[5]

图5：2002~2021年 PubMed单细胞相关文献发表数量

(截止至2021年3月)

单细胞测序与混合测序 (Bulk sequencing) 的最大不同之一就是：测序文库是建立在一个细胞而非一群细胞上的。然而，单个细胞的唯一局限性在于测序物质的含量，如一个细胞里的DNA或RNA含量仅仅处在皮克 (picograms) 级水平，远远达不到现有测序仪的最低上样需求。因此，必须先对单细胞内的微量核酸分子进行扩增，而且必须保证尽可能少地出现技术误差，以便开展后续的测序及其它研究。其次，高通量的单细胞测序还面临的挑战有：目前的通量最多为一百万个细胞；由于单细胞中待测的DNA/RNA含量很低，捕获率有限，可能会导至一个基因在一个细胞中能检测到，但是在另一个细胞中却检测不到，这种现象叫做"gene dropouts"。因此，目前的高通量单细胞测序需要增加捕获效率，提高灵敏度，减少扩增误差。除此之外，对于稀有样本的获取和难解离组织的细胞分离，也是目前单细胞测序技术仍然面临的挑战。