一個普通人和一個億萬富翁站在一起,平均之下便會成了兩個千萬富翁。然而,這份“平均”所得的結(jié)果,卻完全無法反映真實的情況。我們體內(nèi)的細胞亦是如此。每個人都由數(shù)十萬億的細胞組成,從宏觀上所觀察到或檢測出的細胞群體的狀態(tài),也許并不能反映出其真實的情況。
近年來,隨著測序技術(shù)的發(fā)展,細胞測序領(lǐng)域的研究與應用層出不窮擴張迅速。但現(xiàn)在被大規(guī)模應用的測序,仍然以細胞混合體為材料,檢出的也是一群細胞的平均值或是其中占優(yōu)勢數(shù)量的信息。然而這樣的檢測手段突出了細胞的同質(zhì)性,卻忽略了其異質(zhì)性,即忽略了細胞間的差異對于控制基因表達、細胞行為的影響。舉個例子,傳統(tǒng)高通量測序方法在罕見循環(huán)腫瘤細胞的轉(zhuǎn)錄組分析、人胚胎發(fā)生早期的分化特征研究、腫瘤的非均質(zhì)性以及未進化研究等領(lǐng)域就難以應用。于是,在這樣的背景下,單細胞組學的概念應運而生。
單細胞組學研究比常規(guī)的細胞群體研究可以揭示更多細胞類型和亞群的多樣性。盡管在技術(shù)方面,比如單個細胞的分離以及單細胞基因組和轉(zhuǎn)錄的擴增,有著相當?shù)碾y度,但其價值依然讓它收到了矚目關(guān)注。2013年,《科學》雜志將單細胞測序列為年度值得關(guān)注的六大領(lǐng)域之一;《自然方法》雜志將單細胞測序的應用列為2013年年度重要的方法學進展。單細胞測序正在推動微生物、發(fā)育生物學、神經(jīng)科學、免疫、癌癥等領(lǐng)域的發(fā)展。
此外,2017年,眾多科學家齊聚倫敦,人類細胞圖譜計劃(Human Cell Atlas,HCA)宣告啟航。HCA 旨在描述人體中每個細胞(包括細胞類型、數(shù)量、定位、關(guān)系和分子組成),作為促進生物醫(yī)學科學發(fā)展的參考地圖,HCA將提供不同類型細胞組成人體組織的3D圖譜、所有人體系統(tǒng)的連系方式,以及圖譜變化與健康和疾病的關(guān)系。由此可見,已經(jīng)有很多科學工作者將目光投向了單細胞組及單細胞測序領(lǐng)域,而當下,這項技術(shù)已經(jīng)在多個方面展露出了不凡的應用前景。
腫瘤
研究發(fā)現(xiàn),腫瘤是在細胞水平的惡性克隆,同時,惡性腫瘤細胞通過對自身的不斷“改良”以適應宿主各種環(huán)境。從進化上來說,能夠引發(fā)惡性腫瘤的細胞,即所謂“成功”的腫瘤細胞,其具備將遺傳模板傳遞給下一代腫瘤細胞的能力,而能夠引致遠處轉(zhuǎn)移的惡性腫瘤細胞,其自身必定帶有其他腫瘤細胞亞群所不具備的信息。因此,在單克隆水平分析這些腫瘤克隆的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移等,有可能揭示惡性腫瘤產(chǎn)生的具體機制。
血液病
2017 年,第 59 屆美國血液學會(ASH)年會報道了多項與血液系統(tǒng)疾病相關(guān)的單細胞測序研究結(jié)果,包括造血干細胞(HSC)、急性白血病(AL)、成熟淋巴瘤和骨髓纖維化(MF)等的基礎(chǔ)與臨床研究,主要涉及基因組學、甲基化組學和轉(zhuǎn)錄組學等研究領(lǐng)域。這里舉一個例子。急性髓系白血病(AML)分類復雜,標準化療雖然能夠誘導患者獲得完全緩解,但易復發(fā),死亡率較高。其根源就在于白血病干細胞(LSC)的殘留。利用單細胞 RNA 測序技術(shù)識別 LSC 中處于自我更新的細胞亞群,可確定了 LSC 的自我更新基因表達譜,并在體內(nèi)驗證了該表達譜的功能。該表達譜的檢測有助于患者的預后判定。
單細胞水平的微生物研究
微生物的研究面臨著與人類細胞不同的難題。舉個簡單的例子,許多微生物、古細菌無法培養(yǎng),特別是一些病原微生物,能夠進入一種被稱為“活的但不可培養(yǎng)”的狀態(tài)。單細胞尺度微生物學的相關(guān)研究方法由于可以直接以單一細胞為起始材料,在避免了細胞培養(yǎng)過程的同時,可以從自然界直接獲取細胞,并對其“原位”狀態(tài)進行分析、獲知微生物在自然界中原始的狀態(tài),無疑為解決上述問題提供了有效的工具。
除了以上幾個領(lǐng)域,單細胞組學及其測序還有更多的應用正在發(fā)掘中。2018年單細胞組學技術(shù)與應用研討會將于9月15日在南京召開。在未來,當人們對健康的要求更加細化,當更多單細胞層面的差異被一一發(fā)掘,相信單細胞組學領(lǐng)域的研究將會迎來更燦爛的爭鳴。