4大技术，掀起单细胞多组学研究新革命
这是《肠道产业》第 898 篇文章
编者按
大量的多组学分析，如基因组、转录组和蛋白质基因组学分析，已被证明有利于加强对细胞事件的全面了解。这一优势促进了单细胞多组学分析的发展。近年来出现了一些前沿的单细胞多组学技术，并掀起了一场新的研究革命。
今天，我们共同关注单细胞多组学技术。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。
从单细胞看生物世界
著名诗人 William Blake 的一首诗歌中写道“从一粒沙子看世界（see a world in a grain of sand）”。他的辞藻依然动人，但不得不说的是，他的想法可能有些过时了。
今天，我们可以在一个细胞内看到多重宇宙，或者更准确地说，叫做“多个组学”。当前发展出的技术已经允许我们观察基因组、转录组、蛋白质组和其他组学，因此，更详细和更广阔的视野正展现在我们的眼前。更重要的是，这些技术正被有机地装载为多组学技术平台，使我们能看到单一组学无法观察到的互作关系和模式。
单细胞多组学技术不是诗人的幻想，它正由几家公司联合开发，并逐渐被科学界所认可。2019 年，它被 Nature Methods 杂志评为年度方法。
Mission Bio 公司的产品管理副总裁 Anjali Pradhan 称，单细胞层面的多组学技术是“革命性的”。她强调，这项技术开辟了一个新维度，对个性化医疗有重要影响。她指出，单细胞多组学已经让研究人员对疾病的特征和行为有了新的认识，这将推动诊疗方法的发展。
多组学技术正在以各种方式被多个领域所使用，就像在这个快速增长的领域的公司一样。尽管这些公司采用的方法不同，但是他们都有着同一个目标：渴望分享他们所看到的庞大信息。如果这些公司需要采用诗意的表达，那么他们可能会像 William Blake 一样，对你说，“把无限握于手中，在刹那间收藏永恒”。
图. Mission Bio 公司开发的 Tapestri 平台。
技术1
连接基因型和表型
尽管 Mission Bio 公司在 2021 年更换了首席执行官（CEO），但该公司的重心一直没变。这家有着十年历史的单细胞技术公司从一开始就保持着对多组学技术的关注。
Mission Bio 公司的 Tapestri 平台采用两步液滴微流控技术，可同时对单细胞进行 DNA 和蛋白质分析（即在同一个细胞内同时探究基因型和表型）。目前，该公司正在努力增强 Tapestri 平台的能力，将其拓展到 RNA 分析。
2021 年 4 月，该公司宣布任命 Yan Zhang 博士担任 CEO，接替联合创始人 Charlie Silver 的职务。此前，Zhang 在赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific）工作了十年，主要负责基因分析业务。她计划领导 Mission Bio 公司继续发力多组学技术。
2021 年 10 月 22 日，Zhang 在《福布斯》杂志上发表了题为 Why Multi-Omics Is the Future of Biological Analysis 的文章。文中写道，“第一个可以从多组学技术中获益的领域是癌症。”突破进展可能来自于分析基因型到表型的变化，了解耐药性的机制，或增加对癌症的普遍了解。
多组学技术已经开始进入转化和临床研究阶段，例如，Memorial Sloan Kettering 医院的研究人员已经利用 Tapestri 技术研究了 sotorasib 的耐药性演变过程。Sotorasib 是一种用于治疗肺癌的 KRAS 抑制剂药物。最终的研究结果显示，耐药性的演变或归因于单个癌细胞内的二次突变（Nature 2021; 599: 679-683）。
此外，St. Jude 儿童研究医院的一个研究团队使用 Tapestri 平台，探究了骨髓增生异常综合征（血细胞不成熟的疾病）患儿的体细胞遗传救援（SGR）现象。在近期的一篇文章中（Nat. Med. 2021; 27: 1806-1817），研究人员在携带生殖系突变 SAMD9/9L 的患儿中发现了可以自我纠正的细胞，从而使患者免于骨髓移植。
高通量、单细胞多组学可能发挥作用的另一个领域是推进细胞和基因疗法的发展。Tapestri 平台可以简化基因编辑细胞的表征流程，允许研究人员在细胞进入临床之前，更方便地同时检测同一细胞的多种属性。
技术2
连接转录组和蛋白质组
在 IsoPlexis 公司于 2018 年推出其蛋白质组学平台后，它们收到的最普遍的请求是希望该平台能够对检测到的细胞进行测序。现在，IsoPlexis 已经开发出了可以实现这一期望的新方法。
该公司的新技术平台 Duomic 在蛋白质组学的基础上增加了 RNA 测序，允许在同一个细胞中同时测量功能蛋白和基因表达水平。IsoPlexis 的芯片会进行 mRNA 捕获、样品预处理和蛋白质组捕获，随后 mRNA 在测序仪上进行下游检测。
IsoPlexis 的 CEO 和联合创始人 Sean Mackay 指出，在单细胞水平上了解哪些细胞在蛋白质组方面最活跃，对各种临床应用非常重要，而获取驱动这些细胞蛋白质组的遗传密码，“可以教我们如何对相关通路进行编辑，以及如何使用不同类型的遗传修饰（比如 CAR-T 细胞）。”
在 2021 年 9 月举行的基因组生物学技术进展大会（AGBT）的精准健康分会上，IsoPlexis 公司首次公布了来自 Duomic 平台的数据。IsoPlexis 公司创新部高级副总裁 Rui Zheng 博士和该公司软件部高级副总裁 Patrick Paczkowski 博士，使用 Duomic 技术同时测量了 55 个黑色素瘤肿瘤细胞的蛋白质和基因表达水平。
他们说，Duomic 旨在能够更好地了解调控最重要和最关键问题的磷酸化蛋白质组学驱动细胞的基因网络。他们确信，该平台使研究人员能够剖析这些相互作用，并有可能对有问题的细胞进行调整。根据这次报告，在 Virtualitics 公司 AI 驱动的三维数据可视化软件平台的帮助下，Duomic 不仅鉴定出了驱动蛋白质组的基因表达谱，还根据功能异质性确定了细胞群。
那么 Duomic 平台的用武之地在哪里呢？Mackay 认为免疫学和免疫分析绝对是它的首选项。更具体地讲，他认为 Duomic 技术将优化 CAR-T 细胞的设计。
Mackay 认为任何研究人员都可以获取多组学数据的一天即将到来。
虽然IsoPlexis公司计划在其产品中增加表观基因组学和代谢组学功能，但其核心功能仍然是这三个组学技术：基因组学、转录组学和蛋白质组学。
技术3
连接基因组和蛋白组
SomaLogic 既不是一家单细胞公司，也不是一家多组学技术公司，它牢牢扎根于蛋白质组学领域。20 多年来，该公司一直在完善其适体（aptamer）依赖的蛋白质测量技术。最近，SomaLogic 公司开始积极推进与其他平台的协作，以期在多组学领域发挥作用。
2022 年 1 月，SomaLogic 宣布与 Illumina 公司开展合作，结合双方的技术优势，共同开发基于 NGS 技术的蛋白质组学产品。Illumina 公司将基于 SomaLogic 公司的技术，为那些想用 NGS 技术测量蛋白质的人开发和销售工具包。
SomaScan 平台使用 SOMAmer 试剂（一种慢速慢解离速率修饰适体）来鉴定血浆、血清或尿液样本中的循环蛋白。这种试剂由荧光基团、光可分解连接体和生物素合成，并结合在链霉亲和素磁珠上。蛋白质与生物素结合并被标记，在紫外的激发下连接体分解，释放出非特异性结合的复合物，然后与蛋白质发生特异性结合的 SOMAer 就可以通过荧光被检测到。
SomaScan 技术被认为是一个“无偏好和可高度复用的搜索引擎，它将能以不依赖于我们局限的生物学知识的方式发现新的生物标志物”（PLoS One 2010; 5(12):e15004）。它能够测量和识别 7000 种人类蛋白质，比基于抗体的方法多出 4000 种蛋白质。SomaLogic 公司估计，它将能够在几年内把这个数字增加到 10000 种，达到人类蛋白质组的一半。
Somalogic 公司首席执行官 Roy Smythe 博士表示：“你能识别和测量的蛋白质种类越多，你能了解的生物学知识就越多，你就能开发越多的靶标。”
图. 10x Genomics 公司的 Chromium Single Cell Multiome ATAC + Gene Expression 试剂盒。
技术4
连接基因组和表观基因组
将基因组学引入到蛋白质组学公司中是有意义的。但是，像 10x Genomics 这样的基因组学公司必须跳上多组学技术高速轨道的另一辆列车。
第一个单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）研究在十多年前发表。从那时起，10x Genomics 公司的技术已经彻底改变了单细胞基因组学，该公司的 Chromium 平台成为世界各地分子生物学实验室的主流选择。
10x Genomics 公司多年来一直单独提供 RNA-seq 试剂盒与 ATAC-seq 试剂盒（用于表观基因组分析）。因此，对这两个组学都感兴趣的研究人员需要预测和推断组学之间联系，才能将单个细胞的基因表达谱与它的表观基因组进行匹配。
为了帮助研究人员克服这一障碍，10x Genomics 公司开发了一种能够同时分析同一细胞表观基因组和转录组的试剂盒——Chromium Single Cell Multiome ATAC + Gene Expression 试剂盒。该试剂盒在 2020 年 AGBT 会议上首次面世，并在当年晚些时候上市。
结合表观基因组分析和转录组，研究人员可以发现不同细胞中调控元件的新功能，这对不同领域的研究人员具有广泛的吸引力，包括肿瘤学、免疫学、神经科学以及干细胞和发育生物学。
更高维度
不同组学相继出现。即使它们是平行存在的，想要研究它们也极具挑战，更何况它们之间其实存在着相互作用。为了探索更高的维度，我们可以利用多组学技术的优势，该技术已经向我们表明，对更高维度的不断探索可以带来累累硕果。
原文链接：
https://www.genengnews.com/topics/omics/getting-in-touch-with-multiomics/
作者｜Julianna LeMieux
编译｜Johnson
审校｜617
编辑 | 咲