【年终盘点】2021年单细胞测序领域必看的精华研究内容

单细胞测序(single cell sequencing,SCS)是指DNA研究中涉及测序单细胞微生物相对简单的基因组，更大更复杂的人类细胞基因组。作为在单个细胞水平上对基因组或者转录组进行测序,从而分析相同表型细胞的遗传异质性。世界上没有两片完全相同的树叶，没有两个细胞是完全一样的，单细胞测序技术便能够解析细胞间更加细微的差异，揭示出每个细胞独特的微妙变化，甚至可以揭示全新的细胞类型。作为科技发展史上的一项重大创举，推动着微生物、神经生物学、神经科学、免疫、癌症、器官生长、基因组学等领域的发展，正成为生命科学的研究焦点。

单细胞测序技术于2009年问世，目前该技术已广泛地被应用在基础科研和临床研究等各个领域。在这里，我们收集了2021年单细胞测序领域的精华研究内容，供科研工作者参考。

2021年12月17日，在《Science》上，发表了一篇“Pan-cancer single-cell landscape of tumor-infiltrating T cells”的研究，描述了肿瘤浸润性T细胞的泛癌单细胞图谱。肿瘤微环境包含多种不同的免疫细胞，它们的组成、功能和作用尚不清楚。通过对300多名患者的21种癌症类型的T细胞进行单细胞RNA测序，来自北大高级交叉学科研究院的研究人员鉴定了可用于分类不同T细胞类型的转录物组成的差异。确定了特定类型的CD4和CD8 T细胞在不同类型肿瘤中的不同作用。其中一些集群显示了T细胞的两种发育路径的证据，有一种显示了T细胞朝向“耗尽”状态的轨迹，这一知识可能对开发未来的癌症免疫疗法有用。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe6474

11月12日，在《Cell》上，发表了一篇“A single-cell atlas of chromatin accessibility in the human genome”的研究。任兵（音译）博士等研究人员绘制了人类基因组的单细胞染色质可及性图谱。使用单细胞ATAC-seq测序技术对来自30种成人组织类型的60多万个人类细胞进行了剖析，然后将这些信息与15种胎儿组织类型的类似数据相结合，以揭示130万个细胞核组成的222种不同细胞类型中约120万候选顺式调节元件处的染色质状态。在不同人类组织类型的细胞中精确描绘这些可访问的染色质区域将是了解——基因调控元件（非编码DNA）在人类健康或疾病中的作用的重要一步。新的发现为240种多基因性状和疾病确定了与疾病性状相关的细胞类型，有助于发现复杂疾病的治疗靶点。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.024

10月26日，在《BMJ子刊》上，发表了一篇“Single-cell sequencing unveils distinct immune microenvironments with CCR6-CCL20 crosstalk in human chronic pancreatitis”的研究。慢性胰腺炎（CP）是一种可能致命的胰腺外分泌疾病，目前尚无特效或有效的治疗方法。由于难以进入胰腺组织，因此对人类CP的局部免疫反应或发病机制知之甚少。研究人员试图使用来自CP患者和非CP器官供体的组织来表征胰腺免疫反应，以识别与人类CP相关的关键信号分子。通过对从器官供体、遗传性和特发性CP患者（接受全胰腺切除术）分离的胰腺免疫细胞进行测序和T细胞受体（TCR）测序，对转录组和表位进行单细胞水平的细胞索引。得出结论：人类CP中胰腺免疫细胞的单细胞测序强调了通过CCR6-CCL20轴的胰腺特异性免疫串扰，这是一种可能被用作人类遗传性CP未来潜在靶点的信号通路。

https://gut.bmj.com/content/early/2021/10/26/gutjnl-2021-324546

9月8日，在《Nature》上，发表了一篇“Cells of the human intestinal tract mapped across space and time”的研究，人体肠道的细胞景观在整个生命过程中是动态的，在子宫内发育，并随着功能需求和环境暴露的变化而变化。在这里，为了全面绘制细胞谱系，研究人员使用单细胞RNA测序和抗原受体分析近50万个细胞，这些细胞来自发育中的5个解剖区域，以及健康儿童和成人肠道中的11个不同解剖区域。揭示了在整个人类肠道中存在转录上不同的BEST4上皮细胞。此外，研究人员暗示IgG感应作为一种功能的肠簇细胞。描述了发育中的肠神经系统中的神经细胞群，并预测与先天性巨结肠疾病相关的细胞型特异性基因表达。最后，利用系统的方法，确定了在早期人类发展中驱动二级淋巴组织形成的关键细胞参与者。

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03852-1

8月10日，在《Science Immunology》上，发表了一篇“Single-cell analysis pinpoints distinct populations of cytotoxic CD4 T cells and an IL-10CD109 T+++H2 cell population in nasal polyps”的研究，慢性鼻窦炎伴鼻息肉(CRSwNP)的特点是一种慢性炎症过程，常与共病哮喘相关。在本研究中，分析了CRSwNP患者鼻息肉中单个辅助性T细胞(TH)的转录组，并使用多参数流式细胞仪验证了这些发现。首次在单细胞水平上从鼻息肉中鉴定出抑制性T调节(Treg)细胞、TH2细胞、2型固有淋巴样细胞和三个转录上不同的细胞毒性CD4 T细胞亚群(CD4 CTL)。还发现在病人组织中Foxp3+ Treg细胞亚群高度表达GATA3，而TH2细胞高表达TCN1、CD200R和HPGDS，富含脂质代谢相关基因。最重要的是发现了一类新的CD109+ Th2亚群。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciimmunol.abg6356

7月2日，在《Nature Communications》上，发表了一篇“Dissecting spatial heterogeneity and the immune-evasion mechanism of CTCs by single-cell RNA-seq in hepatocellular carcinoma”的研究，复旦大学附属中山医院樊嘉院士、杨欣荣主任医师、深圳华大生命科学研究院侯勇研究员为共同通讯作者，通过单细胞RNA-seq分析肝细胞癌循环肿瘤细胞（CTC）的空间异质性及免疫逃逸机制。关于血液播散过程中循环肿瘤细胞(CTCs)的转录组可塑性和适应机制知之甚少，在本研究中，利用单细胞RNA测序技术，对来自肝细胞癌(HCC)患者肝静脉(HV)、外周动脉(PA)、外周静脉(PV)和门静脉(PoV) 4个不同血管部位的113个单个CTC的转录组进行了研究。揭示了CTCs的转录动力学与血液输送过程中的应激反应、细胞周期和免疫逃避信号有关。此外，发现趋化因子CCL5是CTC免疫逃避的重要介质。从机制上讲，CCL5在CTC中的过表达受p38-MAX信号转导的转录调控，该信号转导可募集调节性T细胞(Tregs)促进CTC的免疫逃逸和转移播散。总的来说，该研究结果揭示了一个以前未被重视的空间异质性和CTC的免疫逃逸机制，可能有助于设计新的抗肝癌转移治疗策略。

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24386-0

6月25日，在《Nature Communications》上，发表了一篇“Post-myocardial infarction heart failure dysregulates the bone vascular niche”的研究。慢性疾病如心力衰竭对骨血管的调节尚不清楚，在这里，研究人员描述了心肌梗死和梗死后心力衰竭对骨血管细胞组成的影响，证实了小鼠和人类心肌梗死后心力衰竭H型内皮细胞的年龄无关性损失。利用单细胞RNA测序，描述了人类骨髓内皮的转录异质性，显示在缺血性心力衰竭中炎症基因（包括IL1B和MYC）的表达增加。MYC的内皮特异性过表达足以诱导H型骨内皮细胞，而抑制NLRP3依赖性IL-1β的产生部分阻止了小鼠心肌梗死后H型血管的丧失。这些结果为使用抗炎疗法预防或逆转缺血性心脏病的骨血管功能恶化提供了理论依据。

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24045-4

5月20日，在《Cell》上，发表了一篇“Single-cell protein activity analysis identifies recurrence-associated renal tumor macrophages”的研究，由美国哥伦比亚大学欧文医学中心的Charles G. Drake团队领导。透明细胞肾癌(ccRCC)是一种异质疾病，术后有不同的病程。为了组装一个全面的ccRCC肿瘤微环境(TME)图谱，对未接受治疗的ccRCC切除的肿瘤和肿瘤邻近组织中的造血亚群和非造血亚群进行了单细胞RNA测序(scRNA-seq)。利用VIPER算法来定量单细胞蛋白的活性，并通过与流式细胞术的比较来验证这种方法。该分析确定了关键的TME亚群，以及它们的主要调控因子和候选细胞-细胞相互作用，揭示了基因表达分析无法检测到的临床相关群体。具体来说，发现了一个肿瘤特异性的TREM2/APOE/C1Q上调的巨噬细胞亚群，并通过空间分辨、定量的多光谱免疫荧光进行了验证。且在一个大型临床验证队列中，这些标记物在术后复发患者的肿瘤中显著富集。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00573-0

4月12日，在《Nature Communications》上，发表了一篇“Atlas of breast cancer infiltrated B-lymphocytes revealed by paired single-cell RNA-sequencing and antigen receptor profiling”的研究，为了深入了解肿瘤浸润免疫细胞，特别是B淋巴细胞的功能和发育动力学机制，在这里，结合单细胞RNA测序和抗原受体谱系分析来描述大量三阴性乳腺癌浸润免疫细胞，并报告了肿瘤浸润的B淋巴细胞的全面图谱。单细胞转录谱揭示肿瘤浸润的B细胞亚群中的显著异质性。单细胞抗原受体分析表明，与外周血相比，肿瘤浸润的B细胞具有更成熟和记忆的B细胞特征，更高的克隆性，更多的类别转换重组和体细胞过度突变。联合分析表明乳腺肿瘤内浸润性记忆B细胞的局部分化。基于单细胞RNA测序结果的B细胞特征与乳腺肿瘤患者的生存率改善显著相关。肿瘤浸润B细胞群的功能分析表明，机制上，B细胞亚群可能通过各种途径促进免疫监测。肿瘤浸润的B细胞群的进一步解剖将为肿瘤免疫治疗提供有价值的线索。

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22300-2

3月3日，在《Oncogenesis》上，发表了一篇“Single-cell RNA sequencing reveals that targeting HSP90 suppresses PDAC progression by restraining mitochondrial bioenergetics”的研究，通过单细胞RNA测序显示靶向HSP90通过抑制线粒体生物能可抑制PDAC进展。胰腺导管腺癌(PDAC)是最致命的癌症之一，缺乏有效的治疗策略，因此迫切需要发展PDAC治疗的新策略。PDAC癌细胞群的遗传和表型异质性对PDAC的临床管理提出了进一步的挑战。在本研究中，对KPC小鼠的PDAC肿瘤进行了单细胞RNA测序。功能研究和临床分析表明，Hsp90高表达的PDAC簇2细胞比其他簇更具侵袭性。在体内和体外，Hsp90基因和药理学抑制都损害了肿瘤细胞的生长。进一步的机制研究表明，HSP90的抑制破坏了HSP90与OPA1的相互作用，导致线粒体嵴数量和线粒体能量的产生减少。总的来说，该研究揭示了HSP90可能是PDAC潜在的治疗靶点。

https://www.nature.com/articles/s41389-021-00311-4

2月15日，在《Cell》上，发表了一篇“Inhibitory CD161 receptor identified in glioma-infiltrating T cells by single-cell analysis”的研究，T细胞是癌症免疫治疗的关键因子，但对其在弥漫性胶质瘤中的基因表达原理知之甚少。在这里，利用单细胞RNA测序(RNA-seq)来绘制31例异柠檬酸脱氢酶(IDH)野生型胶质瘤和IDH突变型胶质瘤患者肿瘤浸润T细胞的基因表达和克隆图谱。研究人员在T细胞亚群中鉴定了抗肿瘤免疫的潜在效应因子。对克隆扩增肿瘤浸润T细胞的分析进一步确定了NK基因KLRB1(编码CD161)作为候选抑制受体。因此，KLRB1基因失活或抗体介导的CD161阻断增强了T细胞介导的胶质瘤细胞体外杀伤和体内抗肿瘤功能。该研究提供了胶质瘤中的T细胞图谱，并强调了CD161和其他NK细胞受体作为免疫治疗靶点。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00065-9

1月8日，在《Science Immunology》上，发表了一篇“Severely ill patients with COVID-19 display impaired exhaustion features in SARS-CoV-2–reactive CD8 T cells+”的研究，研究单细胞测序技术如何揭示COVID-19患者体内CD8+T细胞的多样性。对SARS-CoV-2感染作出反应的CD8 +T细胞的分子特性尚不完全清楚。本文通过单细胞免疫组库测序探究了39名COVID-19患者（case）和10名健康受试者（control）的共80000个CD8+T细胞，同时根据CD8+T细胞是否耗竭将COVID-19患者再分两组（重症患者vs轻度患者）。与重症患者相比，轻度患者体内的耗竭性T细胞较多，表现出较低的细胞毒性和炎性特征；相反，重症患者体内主要是非耗竭性T细胞，且基因主要富集到共刺激、促生存NF-κB通路和抗凋亡通路，这表明重症患者产生了大量记忆性的CD8+T细胞。来自健康参与者的CD8+T细胞对流感病毒和呼吸道合胞病毒反应，表现出多功能特征和糖酵解增强。具有这些特征的细胞在COVID-19患者和未暴露于SARS-CoV-2的健康对照者的SARS-CoV-2反应细胞中大部分都不存在。总的来说，该文通过5' scRNAseq+scVDJseq揭示了COVID-19患者体内CD8+T细胞的多样性。CD8+T细胞应答是控制疾病进程的关键。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciimmunol.abe4782

诸如此类，还有很多单细胞领域的学术文章登顶在各大权威期刊，单细胞测序已成为当下最为热门的研究领域之一。从2009年开始，北京大学汤富酬教授在博士后期间发表了世界第一篇单细胞mRNA测序的文章，便引起了业界广泛关注。单细胞测序技术使以前想做但很难做，甚至无法做的科研与临床应用成为现实。单细胞测序技术帮助科研人员解决了用组织样本测序或样本少时无法解决的生物样本内异质性等重大难题，一系列的单细胞转录组图谱等也由此诞生。单细胞测序技术已应用于多个领域，比如在肿瘤学方面，以前，对肿瘤活检细胞的大量分析只能提供主要细胞类型的信息。而单细胞测序可以提供有关其他肿瘤细胞的信息，这些肿瘤细胞可能对治疗产生抗药性，并可能在以后导致复发。未来，想要用单细胞测序为我们带来真正的个性化治疗，实现精准医学，还有很长的路要走，在单个细胞水平探讨生命过程一定是未来的研究热点，我们相信单细胞测序技术不仅将在生命科学领域大显身手，也会为人类对抗疾病、造福人类健康献一份力量!（转化医学网360zhyx.com）

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。