Science特刊解读 | 单细胞基因组学研究技术的发展
近年，单细胞RNA测序及其伴随的复杂计算方法，正在催化一场打破固有免疫学认知的巨大变革。
10月份，单细胞研究领域迎来了两件大事。10月6日，Science推出特刊，聚焦单细胞测序技术；10月16日，被喻为可以与“人类基因组计划”相媲美的“人类细胞图谱计划”首批资助项目公布，两位发起者就是单细胞和计算生物学领域分量很足的女神Aviv Regev和Sarah Techmann。这两位女神在前述的特刊中撰文介绍了单细胞基因组学方法的研究现状和使用单细胞技术来解释天然免疫和适应性免疫的前景。
结合Science特刊综述与最新发表文章，生信者言整理了单细胞转录组与免疫研究的前沿综述，内容分三篇，供大家参详：
Science特刊 | 单细胞基因组学研究技术的发展
Science特刊 | 单细胞转录组在先天免疫反应研究中的进展
Science特刊 | 单细胞转录组在适应性免疫研究中的应用
岗位职责
本篇要点 Highlights
1、单细胞研究的重要性；
2、现有单细胞研究技术的局限性：局限于已知的特定细胞类型，不能得到未知的、全面的信息。此外，也无从探知细胞的过去。
3、横空出世的单细胞测序技术、寄予厚望的单细胞转录组学与发展中的单细胞蛋白组学。
关键词 Keywords
单细胞转录组、免疫细胞、技术沿革
Part1：单细胞研究的重要性
从新生到凋亡，血液和淋巴等组织中的免疫细胞，不仅仅保护机体免于病原体和癌症的攻击、参与新陈代谢及组织器官生成，事实上，它们几乎参与了所有调控身体内环境的生理活动。
所以，一旦免疫系统出现障碍，就可能引发很多问题和隐患。例如，过于活跃的免疫系统会攻击健康细胞，从而导致自身免疫性疾病，例如Ⅰ型糖尿病、多发性硬化症、系统性红斑狼疮等。此外，越来越多的证据表明，肿瘤的发生及发展和免疫系统功能的失调有着密切的关系。机体罹患肿瘤时，无论是肿瘤细胞还是免疫细胞，都存在着大量的特异性突变位点或表面标记物，理论上用这些位点和标记物可以进行非常针对性的个体化治疗，当然，现实要复杂的多。
生物体内广泛存在着细胞异质性，即使是处于同一阶段的同一种肿瘤，不同的患者其细胞内基因和蛋白的表达也有可能完全不同。即使是同一个病人体内，表达水平也会呈现持续的动态变化，在不同时期或肿瘤组织的不同部位，很可能有着很大的差异。
而这也恰恰就意味着，只从群体入手是行不通的，“单个细胞”的研究十分重要。
Part2：现有单细胞研究技术的局限
对细胞群体的研究非常广泛，以大量细胞为基础的全转录组和蛋白质组的研究帮助科研工作者们发现了大量有意义的Marker。然而尽管方便快捷，但毕竟是建立在异质混合物的基础上，是一种“平均数数据“，这种总体上的平均值可能在很大程度上掩盖了不少稀有、微量样本的作用以及在生命体内广泛存在的随机行为，细胞异质性的研究更使得群体研究倍受争议。
那么，如何从”群体“到”个体“呢？在单细胞技术中，流式细胞术、荧光原位杂交和显微技术三剑客绝对称得上是奠基性的技术了。
其中，流式细胞技术通过细胞表面和细胞内蛋白（包括细胞因子）的修饰来识别免疫细胞，并结合染色、分选或富集等下游实验方法获得不同的细胞，仪器不断改进、测量参数增加、方法趋于标准化，分辨率递增的它已然成为单细胞分析中的常见研究手段。基于免疫细胞混悬液的原位杂交组织化学研究也得到了长足的发展，原位杂交和单分子RNA-荧光原位杂交等杂交技术对于RNA和蛋白的免疫组化都广有应用。在激光捕获显微切割技术（LCM）等显微操作方法的帮助下，免疫细胞的细胞类型、边界、相邻细胞间的作用和组织环境等得到了直观的展示，人们得以一窥免疫细胞的原貌。
而这些单细胞技术，不管是流式细胞技术、荧光激活分选技术，还是免疫荧光和原位杂交，都局限于已知的特定细胞类型，不能得到未知的、全面的信息。此外，这些需要单细胞悬液的技术还指向另一个问题，我们无从探知细胞的过去。
这就不难解释，为何单细胞测序技术，以及慢慢发展起来的单细胞转录组学备受瞩目和期待。
Part3：横空出世的单细胞测序技术、寄予厚望的单细胞转录组学和发展中的单细胞蛋白组学
单细胞基因组学完美的解决了这些问题。
美国国家人类基因组研究院（National Human Genome ResearchInstitute in Bethesda, Maryland）的遗传学家Elaine Ostrander说：“单细胞基因组测序技术是一种让人难以置信的新技术，这种技术的应用潜力无法估量，我们可以凭借这种技术轻而易举的攻克肿瘤难题。”
萌芽于2010年的单细胞测序技术，在2013年被Science杂志评选为最具发展前景的六大科学项目之一；2014年，被列为Nature Method年度最重要的方法学进展；2015基因组学前沿研讨会将单细胞组学单独列为一个单元；2016年，单细胞测序技术作为国家重点研发计划“精准医学研究”专项获得2250万项目经费，备受瞩目；“人类细胞图谱计划”进一步将其推上了风口浪尖。
过去几年，已经对千余种单细胞进行了全基因组定量分析，同时还能对蛋白质和RNA进行多重原位空间分析。较之基因组学，表观遗传学研究起步相对略晚，但现在已然成为最前沿的单细胞分析方法。
如果说传统的“批量细胞（bulk）”RNA测序法是一次处理成千上万个细胞，然后抹平它们之间的差异，那单细胞转录组学（scRNA-seq）可以找出造成各细胞差异的那些微妙改变，解析造成改变的机制，甚至能定义全新的细胞类型。全面解析实时基因表达水平的scRNA-Seq，近年来在准确性、灵敏性和通量上都大有增长。
虽然单细胞转录组学研究非常有用，但无法得到蛋白质丰度或转录后修饰信息。流式细胞仪与飞行质谱的结合很好的解决了这个问题。
09年发表的CyTOF技术（Cytometryby Time-Of-Flight）利用金属原子代替传统流式技术中的荧光基团标记抗体，既继承了传统流式细胞仪高速分析的特点，又具有质谱检测的高分辨能力【PMID: 19601617】。在此基础之上Fluidigm公司进一步开发的IMC 技术（imaging mass cytometry），可以实现几十种蛋白的原位检测。
比如能在兼容现有质谱流式蛋白检测方法同时检测数百万单细胞基因表达的PLAYR（proximityligation assay for RNA）方法，就成功实现了对单细胞蛋白、核酸的同时检测【PMID:26808670】。今年发布的CITE-seq（Cellular Indexing of Transcriptomes and Epitopes by sequencing）能够对数千个单细胞的表面蛋白标记物进行测定，同时还能够对相同单细胞中的mRNA进行测序。在CITE-seq的验证研究中，结合转录组学技术对8000个单细胞表面的10种表面蛋白进行了监测，这也是截至目前对单细胞进行的最大规模且多维度的分析【PMID: 28759029】。
建立在scRNA-seq基础上的多组学技术逐渐将免疫单细胞研究推向深入，尤其在2015年到2017年，方法逐渐趋于成熟，成果井喷。下面的两篇里，继续给大家分析单细胞转录组在先天免疫和适应性免疫上的前沿研究进展解析，欢迎关注！
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回复文字：果然科学，看一篇好玩的科普文。