回顾：单细胞转录组技术发展之十年历程

俗话说，十年是个风水岭，单细胞转录组技术发展至今十年间，在促进对生物学和疾病的认识上发挥出的巨大潜力有目共睹。那么，十年间单细胞转录组是如何发展至今的？又取得了哪些新的进展呢？今天，让我们跟随Sarah Aldridge和Sarah Teichmann两位大神，一起来回顾单细胞转录组学技术十年发展。

一、过去十年中单细胞转录组学技术是如何发展的？

单细胞转录组学技术是2009年北大汤富酬老师等人通过少数小鼠原始生殖细胞，基于高通量测序技术，实现了在单个细胞中对mRNA全基因组检测。此后，单细胞转录组学技术不断发展创新，包括标签测序方法（例如STRT-seq和CEL-seq，MARS-seq）、全长测序（例如SMART-seq / SMART-seq2）等。真正实现高通量单细胞测序技术的发展是后续开发的纳米液滴，微孔技术和原位条形码技术。这些技术的发展与完善, 使得单细胞转录组测序技术进入高通量与自动化的全新时代。

图1 单细胞技术的发展历程

单细胞转录组学的实验技术发展，数据处理等不断进步，对于揭示标记基因以及鉴定细胞发育轨迹等至关重要，也正是这些技术的进步，催生出了新一代检测技术——空间转录组学技术。

空间转录组测序能在保留空间位置信息的同时检测基因表达。由Stahl等人开发的空间转录组学测序方法是最早的，可用于检测整个转录组以及空间位置的转录组检测技术（无法达到单细胞分辨率）。而最新发表的研究已经从技术上实现了单细胞分辨率的空间转录组检测。随着单细胞转录组学和空间转录组学的结合，越来越多的细胞图谱出世，这些图谱以高分辨率绘制了所有细胞基因活动的空间位置图。

二、单细胞转录组学正在改变我们对健康和疾病的理解

在单细胞技术发展的推动下，人类细胞图谱（HCA）全球联盟于2016年创立，以绘制人体的“谷歌地图”。单细胞层次的转录组数据在人体上的价值是深远的，健康的人体组织和模型生物参考图谱将为衰老，疾病和精准治疗提供基础背景（图2）。

图2 单细胞技术的应用

通过人体组织细胞图谱，我们对基础生物学有了新的认识。比如在孕早期母胎界面发现新的细胞状态（例如NK和基质细胞），揭示健康妊娠背后的机制，并加深了我们对这些机制改变（例如先兆子痫）的认识。这些新的认识正在改变我们对于疾病的理解。

在最近几个月里，单细胞转录组学还被用于新型冠状病毒COVID-19的研究，提高我们对新型冠状病毒感染的生物学理解。在一系列组织中，对冠状病毒受体、感染相关基因的单细胞表达分析，提供了对病毒传播潜在位点的认识。这为进一步研究感染，传播和制定预防和治疗的临床策略提供数据基础。

三、单细胞转录组学的应用前景

目前，单细胞转录组学在人类健康方面主要涉及以下四个方向：胚胎发育、组织器官发育、免疫系统和肿瘤的研究。

一些新的领域，如用于改进体外细胞模型（如类器官）的工程设计，也将受益于单细胞转录组的数据结果。基于HCA数据提供的细胞状态的高维描述，包括从孕早期人类胚胎发生开始的发育途径，为体外模型提供了精确的模板，并且通过比较体内和体外数据，我们可以预测生成改良的体外系统（如iPSC衍生的细胞和类器官）所需的潜在因素。