俗話說，十年是個風水嶺，單細胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)發(fā)展至今十年間，在促進對生物學和疾病的認識上發(fā)揮出的巨大潛力有目共睹。那么，十年間單細胞轉(zhuǎn)錄組是如何發(fā)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(zhuǎn)錄組學技術(shù)十年發(fā)展。

一、過去十年中單細胞轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)是如何發(fā)展的？

單細胞轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)是2009年北大湯富酬老師等人通過少數(shù)小鼠原始生殖細胞，基于高通量測序技術(shù)，實現(xiàn)了在單個細胞中對mRNA全基因組檢測。此后，單細胞轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)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(xiàn)高通量單細胞測序技術(shù)的發(fā)展是后續(xù)開發(fā)的納米液滴，微孔技術(shù)和原位條形碼技術(shù)。這些技術(shù)的發(fā)展與完善, 使得單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)進入高通量與自動化的全新時代。

圖1 單細胞技術(shù)的發(fā)展歷程

單細胞轉(zhuǎn)錄組學的實驗技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)處理等不斷進步，對于揭示標記基因以及鑒定細胞發(fā)育軌跡等至關(guān)重要，也正是這些技術(shù)的進步，催生出了新一代檢測技術(shù)——空間轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)。

空間轉(zhuǎn)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(fā)的空間轉(zhuǎn)錄組學測序方法是最早的，可用于檢測整個轉(zhuǎn)錄組以及空間位置的轉(zhuǎn)錄組檢測技術(shù)（無法達到單細胞分辨率）。而最新發(fā)表的研究已經(jīng)從技術(shù)上實現(xiàn)了單細胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組檢測。隨著單細胞轉(zhuǎn)錄組學和空間轉(zhuǎn)錄組學的結(jié)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(zhuǎn)錄組學正在改變我們對健康和疾病的理解

在單細胞技術(shù)發(fā)展的推動下，人類細胞圖譜（HCA）全球聯(lián)盟于2016年創(chuàng)立，以繪制人體的“谷歌地圖”。單細胞層次的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)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(chǔ)背景（圖2）。

圖2 單細胞技術(shù)的應用

通過人體組織細胞圖譜，我們對基礎(chǔ)生物學有了新的認識。比如在孕早期母胎界面發(fā)現(xiàn)新的細胞狀態(tài)（例如NK和基質(zhì)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(zhuǎn)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(guān)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、單細胞轉(zhuǎn)錄組學的應用前景

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

一些新的領(lǐng)域，如用于改進體外細胞模型（如類器官）的工程設(shè)計，也將受益于單細胞轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)結(jié)果�；�于HCA數(shù)據(jù)提供的細胞狀態(tài)的高維描述，包括從孕早期人類胚胎發(fā)生開始的發(fā)育途徑，為體外模型提供了精確的模板，并且通過比較體內(nèi)和體外數(shù)據(jù)，我們可以預測生成改良的體外系統(tǒng)（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(zhuǎn)錄組學技術(shù)分辨率的提高，對于研究具有復雜形態(tài)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(zhuǎn)錄組學可以應用于醫(yī)學上重要領(lǐng)域，包括基于細胞的模型，細胞療法，再生醫(yī)學和靶標發(fā)現(xiàn)。

單細胞轉(zhuǎn)錄組學發(fā)展至今也不過十年時間，但是卻在這十年里發(fā)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(lián)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.