單細胞基因組旨在通過組學(xué)方法研究單個細胞。近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，這一年輕的領(lǐng)域正在迅速成熟起來。單細胞基因組研究的前身可以追溯到用芯片檢測單細胞的基因表達。不過，新一代DNA測序才是單細胞基因組學(xué)的大功臣，這些技術(shù)的出現(xiàn)讓單細胞基因組研究最終一飛沖天。

2012年7月，Nature Biotechnology雜志發(fā)表了具有里程碑意義的單細胞測序方法——Smart-Seq.Smart-Seq能夠覆蓋整個轉(zhuǎn)錄組生成全長cDNA，就算是現(xiàn)在，能做到這一點的單細胞測序方案也寥寥無幾。那幾年，許多研究者們都在埋頭改進各種單細胞測序技術(shù)的精確性和應(yīng)用范圍，增加研究通量和減少實驗成本。

百花齊放的單細胞分析技術(shù)

如今，單細胞RNA-seq已經(jīng)成為了成熟的日常操作，其他形式的單細胞分析開始百花齊放，包括DNA、蛋白質(zhì)、染色質(zhì)修飾等等。

單細胞DNA測序

單細胞全基因組DNA測序是一項富有挑戰(zhàn)性的工作，因為材料損失會導(dǎo)致序列丟失，測序錯誤很難與真正的突變區(qū)分開。霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家們迎難而上，對人類大腦皮層神經(jīng)元進行了單細胞測序，醫(yī)|學(xué)教育網(wǎng)搜集整理并根據(jù)發(fā)育過程中累積的體細胞突變重建了神經(jīng)元譜系。他們的研究顯示，正常成年人的單個大腦神經(jīng)元具有一千多個點突變，而且不同神經(jīng)元的突變形式并不相同。大多數(shù)突變發(fā)生在大腦發(fā)育完成之后，是基因積極活動時產(chǎn)生的。

單細胞表觀遺傳學(xué)分析

通過單細胞分析來檢測表觀遺傳學(xué)狀態(tài)是單細胞研究的一大趨勢。DNase I超敏感位點（DHS）是對DNaseⅠ高度敏感的活性染色質(zhì)區(qū)域。哺乳動物細胞的DHS定位，能夠提供轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件和染色質(zhì)狀態(tài)的重要信息，一直是科學(xué)家們的研究熱點。DNase測序（DNase-seq）是進行全基因組DHS分析的常用方法，不過DNase-seq需要數(shù)百萬細胞，大大限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。去年十一月，美國NIH的趙可吉博士開發(fā)了在單細胞中檢測全基因組DHS的超靈敏策略，并將其命名為單細胞DNase測序（scDNase-seq）。

表觀遺傳學(xué)修飾可以在不改變DNA序列的情況下調(diào)控基因的活性，對于人類發(fā)育、人類疾病和環(huán)境影響有深遠的意義。DNA甲基化是最常見的一種表觀遺傳學(xué)修飾，廣泛參與了細胞對基因表達的控制，在細胞生長、細胞分化、細胞增殖和疾病狀態(tài)中起到了關(guān)鍵性的作用。2014年7月，Nature Methods雜志發(fā)布了單細胞重亞硫酸鹽測序（scBS-seq）技術(shù)。該技術(shù)可以對單個細胞的所有DNA甲基化進行全基因組分析，幫助人們進一步理解胚胎的發(fā)育機制，更好的進行癌癥和不孕不育的治療。

單細胞蛋白質(zhì)分析

談到單細胞蛋白質(zhì)分析，我們不能不提質(zhì)譜流式細胞技術(shù)（mass cytometry）。這種技術(shù)是流式細胞技術(shù)與質(zhì)譜分析技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)晶，利用質(zhì)譜原理對單細胞進行多參數(shù)的檢測。它繼承了傳統(tǒng)流式細胞儀的高速分析的特點，又具有質(zhì)譜檢測的高分辨能力，是流式細胞技術(shù)一個新的發(fā)展方向。質(zhì)譜流式細胞技術(shù)能在單細胞水平上同時分析超過40種細胞參數(shù)，極大的增強了流式細胞分析評估復(fù)雜細胞系統(tǒng)和過程的能力。今年五月Cell雜志發(fā)表“Mass Cytometry： Single Cells， Many Features”綜述，全面介紹了質(zhì)譜流式細胞技術(shù)的現(xiàn)狀，相關(guān)儀器，主要應(yīng)用范圍，數(shù)據(jù)分析方法，以及未來的發(fā)展前景。

在單細胞研究的大潮中，新的測序方法層出不窮。不過，很少有人對這些方法進行系統(tǒng)的比對。The Scientist雜志最近聯(lián)系了單細胞研究領(lǐng)域的一些專家，請他們分享了在單細胞中進行轉(zhuǎn)錄研究的秘訣，比較了一些常用的單細胞測序技術(shù)，包括Smart-seq、CEL-seq、SCRB-seq和Drop-seq.單細胞分析開始強強結(jié)合

單細胞研究領(lǐng)域的最新動向，是在一個細胞中同時實現(xiàn)多種檢測分析，比如基因組和轉(zhuǎn)錄組、轉(zhuǎn)錄組和甲基化組、RNA和蛋白質(zhì)。這些技術(shù)可以幫助人們將單細胞表型與基因型聯(lián)系起來，進一步理解腫瘤和其他疾病的演化。去年四月，Nature Methods雜志發(fā)布了引人注目的測序技術(shù)——G&T-seq.該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的DNA和RNA平行測序，同時展現(xiàn)單個細胞的基因組序列和基因活性。 研究人員用G&T-seq對220個小鼠和人類細胞進行測序，獲得了空前詳細的信息。他們首次觀察到，當(dāng)細胞丟失或獲得染色體拷貝時，該區(qū)域的基因表達也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。

今年一月份，英國和比利時的研究人員在Nature Methods雜志上發(fā)表文章，描述了一種在單細胞中同時分析表觀基因組及轉(zhuǎn)錄組的新測序方法。這一技術(shù)可以幫助研究者們精確描繪DNA甲基化改變與基因表達之間的關(guān)系。（更多詳細信息參見：Nature Methods：突破性單細胞表觀基因組與轉(zhuǎn)錄組分析新技術(shù)） 五月份，醫(yī)|學(xué)教育網(wǎng)搜集整理加州大學(xué)范國平教授和同濟大學(xué)薛志剛教授在Genome Biology雜志上發(fā)布了自己開發(fā)的測序技術(shù)——scMT-seq.這種方法能夠同時分析細胞的轉(zhuǎn)錄組和甲基化組，在單細胞中揭示DNA甲基化與基因表達的直接關(guān)聯(lián)。

單細胞數(shù)據(jù)分析正在迎頭趕上

單細胞基因組技術(shù)正在迅猛發(fā)展，單細胞計算分析也在奮起直追。統(tǒng)計和計算方法是單細胞基因組研究的核心，只有正確的方法才能幫助我們從數(shù)據(jù)中提取有意義的生物學(xué)信息。前不久，德克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心的研究人員開發(fā)了首個用于單細胞DNA測序的突變檢出程序——Monovar.這一重要研究成果于今年四月發(fā)表在Nature Methods雜志上。研究人員認為Monovar是單細胞測序評估SNV的一大進步，能夠為人們提供多種疾病的關(guān)鍵信息。精確檢測SNV對于癌癥診療、個性化醫(yī)療和產(chǎn)前診斷非常重要，而Monovar在這些方面有著廣闊的應(yīng)用前景。