利刃出鞘 | 大规模单细胞组学国产化整体解决方案全面推出！
细胞是生命的基本功能单元，解析决定每种细胞命运的密钥是读懂生命这部天书的关键，也是实现人类操控细胞命运、治疗疾病的基础。随着单细胞组学技术向更高通量、更多组学的方向发展，单细胞组学技术已经成为解读生命的基础工具，在器官结构、发育、人类疾病、生命演化等领域全面发挥重要作用。然而，由于生命的细胞数量巨大（一个正常成年人的细胞数量大约有37万亿，数量级1013），大量的研究都受限于工具和规模，难以有效和全面地解析所有的细胞类型信息。目前人类已经解读相对清晰的细胞类型不过几百种。可以预见，大规模单细胞组学研究工具必将成为研究发展的助推器。
过去近10年来，华大在单细胞及时空多组学等方向不断进行底层创新，在工具上取得了一系列重大突破。结合在组学方向的优势，目前华大已形成了包括单细胞和时空组学新方法、高通量自动化建库、超高通量测序、高性能计算分析和数据库搭建等方面的国产化、一体化细胞组学研究和工程化能力，为大规模单细胞组学研究奠定了强大的基础。
为解决单细胞规模化研究痛点，华大开发了高通量单细胞平台DNBelab C4，联合自主研发的DNBSEQ超高通量测序平台，可以实现单次测序数据产出规模达百万级细胞，在大幅降低建库成本的同时实现全局性的组织细胞图谱，是当前可以实现高通量、低成本、一站式单细胞组学研究的全流程技术平台。
一、平台介绍
基于全球领先的、国产化、PB级的基因数据产出中心以及高效安全的生命领域信息数据分析平台，华大一站式单细胞组学研究平台，为单细胞领域的科学研究及临床转化应用研究提供了深入合作的基础平台。平台基于华大自主研发的DNBelab C4单细胞文库制备技术，可实现单细胞转录组研究（scRNA-Seq）和单细胞染色质可及性研究（scATAC-seq）；在应对特殊样品时，也可提供多样化的技术选择。
1.一体化
该技术平台可提供从样本制备到测序及数据分析一站式解决方案。
图1 国产化、一体化研究方案流程图
2. 高产能
该技术平台具有样本制备产能高、数据产出能力强、信息化自动化程度高等优势，轻松实现高产能。
样本制备产能高
成熟稳定的单细胞样本处理及文库构建能力；
日均超百个单细胞文库制备通量；
日均500,000 个细胞的超高通量建库。
数据产出能力强
基于华大自主研发的国产化DNBSEQ Tx系列超高通量测序仪；
单次测序实现8张芯片同时上机，产出80T数据；
单次实现512个单细胞文库同时测序，可产出2,500,000个单细胞数据集。
信息化自动化程度高
单细胞文库制备到数据产出，全程自动化、信息化；
高效、快速，实时记录，随时溯源。
图2 华大DNBSEQ Tx系列超高通量测序仪
3.数据挖掘能力强
在数据处理方面，该平台表现同样优秀。
存储系统超过PB级别，总计算能力达到1000T Flops级别；
全流程数据实时管理，配备华大强大的多组学数据处理软件，兼容多种生信流程；
国际化基因科研团队，具有强大的单细胞组学数据分析处理能力，成功构建国际上首个非人灵长类食蟹猴细胞图谱。
图3 国际上首个非人灵长类单细胞图谱V 1.0
应用DNBelab C4平台对食蟹猴的主要组织器官（肺、肾脏、肝、胰腺、大脑、主动脉、甲状腺、腮腺和血液）进行单细胞转录组测序，建立食蟹猴单细胞转录组数据库，鉴定出44种食蟹猴的主要细胞类型[1]
图4 基于DNBelab C4平台的单细胞图谱
4.经验丰富，解离组织类型多样
目前已开展上千个样品、60多种不同组织类型的服务；
覆盖物种：人、鼠、猴、鹿、猪、鸽、树鼩、蝙蝠、蚂蚁、蜜蜂、斑马鱼、棘皮动物（海参）、甲壳动物（虾类）、软体动物（鲍鱼、扇贝）以及各种鱼类；
覆盖组织类型：
图5 已有组织解离经验的样本类型
数据库构建
基于单细胞组学合作重大项目，构建了复杂的单细胞共享数据平台CDCP (Cell-omics Data Coordinate Platform)[2]，提供单细胞分析工具和可视化服务，以方便研究人员访问和探索已发表的单细胞数据集；
目前CDCP已经汇集19个重大单细胞合作项目结果，共计6,452个样本。
图6 单细胞数据共享平台CDCP
https://db.cngb.org/cdcp/
二、技术原理
scRNA-seq
该技术基于华大已发表的单细胞液滴生成系统[3]，通过引入自主专利的液滴标签技术（Disc-seq: Droplet-indexed high-throughput single-cell sequencing）实现更高通量的单细胞转录组建库技术，与常规液滴单细胞测序技术如Drop-seq平台1%-3%的细胞回收率相比，回收率提高至30%-60%，显著提高了细胞的利用率，降低了单次细胞投入量。
基于便携的负压装置将带有标签的mRNA捕获磁珠与单个细胞或者细胞核包裹在液滴中，采用Droplet index的技术实现磁珠的超泊松分布，在液滴中完成细胞裂解和捕获mRNA分子及用于识别来自同一液滴磁珠的标签序列，对cDNA和Droplet index进行文库构建和测序，即可一次性获得大量细胞的基因表达信息。
图7 基于自主标签技术（Disc-seq）的单细胞转录组测序技术scRNA-seq
scATAC-seq
单细胞ATAC-seq从组织或细胞富集细胞核，然后利用Tn5转座酶对染色质开放区进行切割，通过DNBelab C4单细胞平台，包裹转座后的细胞核和带有标签的磁珠，在液滴内完成染色质开放区的富集和扩增，后续可根据高通量测序流程制备文库并进行测序及生信分析，转座后细胞核投入芯片5,000-15,000，获取1,500-9,000细胞，双包率<5%。
图8 scATAC-seq技术流程图
三、技术优势
1.单细胞质量可控
该技术平台具有稳定的细胞产出和基因检测能力，质量可控。
稳定的细胞产出和基因检测能力
30%-60%的细胞回收效率，细胞双胞率5%以下；
单张单细胞芯片通量3,000-10,000细胞；
标准细胞系样本捕获转录本数量>20,000/cell，基因数>4,000/cell。
图9 双胞率评估*
图10 人鼠混合细胞系样本UMIs数及基因数*
真实样本数据结果展示
图11 人外周血单核细胞分群结果（与已发表数据比较）*
图12 小鼠脾脏单细胞分群结果（与已发表数据比较）*
注：*数据来源自内部实验测试数据和已发表数据[4][5][6]
2. 成本大大降低
DNBelab C4单细胞平台基本实现了低成本，搭配华大国产化DNBSEQ系列测序平台，以及相关的单细胞分析软件，大大降低了单细胞组学技术的成本。
3.样本通量灵活
单细胞文库制备芯片数量不受限，单个批次可以根据实验情况灵活调整芯片制备数量。
四、研究应用
应用案例
新冠和甲流分子特征比较研究（Immunity，IF=31.74）[4]
该研究对新冠和甲流患者的外周血PBMC进行了系统单细胞测序，发现新冠患者与甲流患者在免疫反应激活的信号通路不同, 如新冠患者以STAT1、IRF3、IL6R上调为主，而甲流患者则是STAT3和NFκB。
图13 案例图示
主要成果
单细胞组学方向已发表高水平SCI文章70余篇，主要研究成果如下：
参考文献：
1.Han L, Wei X, Liu C, et al. Single-cell atlas of a non-human primate reveals new pathogenic mechanisms of COVID-19[J]. BioRxiv, 2020.
2.CDCP网址，https://db.cngb.org/cdcp/
3.Liu C, Wu T, Fan F, et al. A portable and cost-effective microfluidic system for massively parallel single-cell transcriptome profiling[J]. bioRxiv, 2019: 818450.
4.Zhu L, Yang P, Zhao Y, et al. Single-cell sequencing of peripheral mononuclear cells reveals distinct immune response landscapes of COVID-19 and influenza patients[J]. Immunity, 2020, 53(3): 685-696. e3.
5.Ding, J., Adiconis, X., Simmons, S.K. et al. Systematic comparison of single-cell and single-nucleus RNA-sequencing methods. Nat Biotechnol,2020, 38, 737–746.
6.Kimmel J., Penland L., Rubinstein N. et al.Murine single-cell RNA-seq reveals cell-identity- and tissue-specific trajectories of aging. Genome Res. 2019. 29: 2088-2103
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