本文中，小編整理了近期了科學家們在單細胞研究領域取得的重磅級研究成果，分享給大家！
【1】Nat Genet：浙大學者利用小鼠發(fā)育的單細胞圖譜確定細胞命運調控程序
doi：10.1038/s41588-022-01118-8
多細胞生物的發(fā)育過程的穩(wěn)健性表明有一個專門的調控程序來控制細胞命運決定的軌跡。根據(jù)Waddington的表觀遺傳景觀理論，分化的細胞類型來自不穩(wěn)定的干/祖細胞狀態(tài)，并最終進入穩(wěn)定的細胞狀態(tài)。從單細胞數(shù)據(jù)中得出的狀態(tài)流形（state manifold）的新興概念進一步增強了我們對譜系進展的理解。這些狀態(tài)流形背后的基因調控程序是什么？它們是如何被調控的？這兩個問題在這個領域仍然是個謎。中國浙江大學醫(yī)學院郭國驥（Guo Guoji）教授和韓曉平（Han Xiaoping）教授領導的一個研究團隊長期致力于單細胞測序和細胞命運決定的研究。他們開發(fā)了Microwell-seq，即一種使用簡單和廉價設備的高通量和低成本的scRNA-seq平臺。利用Microwell-seq，他們構建了世界上第一個小鼠細胞圖譜和人類細胞景觀，分別于2018年和2020年發(fā)表在Cell期刊和Nature期刊上。
在此基礎上，這個研究團隊在一項新的研究中對小鼠進行了從早期胚胎階段到成熟成體階段的七個生命階段的單細胞轉錄組分析。他們總共分析了52萬多個細胞，并確定了參與小鼠核心命運決定回路的譜系共同主調節(jié)因子和譜系特異性主調節(jié)因子。相關研究結果發(fā)表在2022年7月的Nature Genetics期刊上。
在這項新的研究中，這個研究團隊分析了小鼠在從早期胚胎階段到成熟成體階段的不同階段---胎齡（E）10.5、E12.5、E14.5、出生當天（P0）、出生后第10天（P10）、出生后第21天（P21）和成年（6～10周）---的基因表達變化。所分析的器官涉及神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)。
實驗顯示，在譜系發(fā)育過程中，轉錄的可塑性逐漸降低。這個研究團隊構建了一個系統(tǒng)性的轉錄因子調控網(wǎng)絡，確定了900多個調控子（regulon），并確定了15種不同的表達模式，包括譜系共同調控程序和譜系特異性調控程序。他們比較了不同細胞譜系的分化特異性，確定了細胞命運決定的共同調控因子。
單細胞多組學分析或為開發(fā)新型CAR-T細胞療法提供新的思路。
原始出處：Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abj2820
【2】Sci Adv：單細胞多組學分析或為開發(fā)新型CAR-T細胞療法提供新的思路
doi：10.1126/sciadv.abj2820
在過去10年里，一種稱之為CAR-T細胞療法的癌癥療法在治療血液癌癥上展現(xiàn)出了巨大的前景，但通常情況下患者往往會在短時間內出現(xiàn)疾病復發(fā)。近日，一篇發(fā)表在國際雜志Science Advances上題為“Single-cell antigen-specific landscape of CAR T infusion product identifies determinants of CD19-positive relapse in patients with ALL”的研究報告中，來自耶魯大學等機構的科學家們揭示了其中一些關鍵的線索來解釋為何患者會出現(xiàn)癌癥復發(fā)。
CAR-T細胞療法主要涉及從患者機體的血液中分離出抵御病毒的T細胞，并利用嵌合抗原受體（CAR）對其進行遺傳性修飾，CAR能靶向作用癌細胞表面表達的標志物，這些CAR-T細胞隨后就會被重新輸注到患者體內來抵御癌細胞，實踐證明，其能有效抵御多種血液癌癥，比如急性淋巴細胞性白血病（ALL）、淋巴瘤和多發(fā)性骨髓瘤，然而，很多患者都會在短期內出現(xiàn)疾病的緩解，30%-60%接受治療的患者都會在1年內出現(xiàn)疾病的復發(fā)。
為此，研究人員開始著手分析疾病長期緩解的患者和疾病復發(fā)的患者之間的差異，他們尋找了患者機體細胞的模式，并分析了12名兒童ALL患者機體的10萬個單一的CAR-T細胞，在12名患者中，有5名患者在長達5年多的時間里疾病得到了完全緩解，另外5名患者則在試驗過程中發(fā)生了疾病復發(fā)，其中位時間點為9.6個月，另外2名受試者并沒有顯示出對該療法的客觀反應。
文章中，研究人員使用了所謂的多組學方法，即將來自轉錄組和蛋白質組的數(shù)據(jù)結合，從而進行了強大的單細胞分析，這樣他們就能密切研究每個細胞的基因表達特性，并識別出CAR-T細胞中隱藏的分子機制，其在未來癌癥療法的開發(fā)過程中扮演著關鍵角色。研究人員還識別出了一種共表達的細胞因子組件，其能作為免疫系統(tǒng)的信使而分泌特殊蛋白質，同時其還是協(xié)調免疫細胞的關鍵調節(jié)子，在這些細胞因子中，研究者發(fā)現(xiàn)了一組能代表T輔助2細胞（Th2）功能的細胞因子在疾病已經(jīng)緩解了5年或更長時間的患者的細胞譜中非常突出，Th2細胞是介導機體免疫反應激活和維持的一種細胞亞型，這樣研究人員就能更好地評估來自不同患者機體的CAR-T細胞的功能差異。
【3】Nature子刊： 單細胞測序揭示受體介導的癌癥精準聯(lián)合治療
doi：10.1038/s41467-022-29154-2
個性化腫瘤學帶來了希望，即每個患者的癌癥都可以根據(jù)其基因組特征進行治療。幾項試驗表明，有可能以足夠快的速度收集基因組數(shù)據(jù)，為治療決策提供信息。對2011-2013年間完成的I期臨床試驗的薈萃分析顯示，總的來說，使用分子生物標記物信息來影響治療計劃的試驗比沒有使用分子生物標志物信息的試驗結果更好。然而，大多數(shù)精確腫瘤學治療只使用一到兩種藥物，耐藥克隆經(jīng)常出現(xiàn)，強調需要以多個藥物組合的方式提供個性化藥物。人們已經(jīng)認識到，將系統(tǒng)生物學和納米材料設計相結合的重要機會是以組合的方式提供藥物，以克服耐藥性并結合生物效應。
近日，馬里蘭大學研究者們在Nature Communications雜志上發(fā)表了題為“The landscape of receptor-mediated precision cancer combination therapy via a single-cell perspective”的文章，該研究提供了對選擇性和精確化靶向癌癥所需靶點的身份和數(shù)量的計算估計。
在本研究中，通過挖掘大量的單細胞轉錄組數(shù)據(jù)，研究者使用組合優(yōu)化技術來繪制癌癥最佳組合治療的圖景。研究者假設每一種單獨治療都可以針對編碼細胞表面受體的1269個基因中的任何一個，這些基因可能是CAR-T、結合抗體或包被納米粒治療的靶點。研究者發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)癌癥類型中，由最多四個靶點組成的個性化組合足以殺死至少80%的腫瘤細胞，同時保留至少90%的腫瘤微環(huán)境中的非腫瘤細胞。然而，隨著要求更嚴格和更有選擇性的殺戮，所需目標的數(shù)量迅速上升。新出現(xiàn)的個人靶點包括治療腦癌和頭頸癌的PTPRZ1，以及多種腫瘤類型的EGFR。
【4】Science：利用單細胞eQTL定位確定自身免疫性疾病的細胞類型特異性基因控制
doi：10.1126/science.abf3041
人類的免疫系統(tǒng)已經(jīng)進化到通過調節(jié)專門的細胞群體來維持組織穩(wěn)態(tài)和靶向外源性病原體。它在不同個體之間顯示出巨大的差異，決定了人們對疾病易感性和對病原體或癌癥的反應是如何不同。在單細胞分辨率的數(shù)據(jù)生成過程中，科學家們對遺傳差異如何在細胞水平上促進免疫變異的認識受到兩個主要挑戰(zhàn)的限制。其中的一個挑戰(zhàn)是對許多人進行測序，另一個挑戰(zhàn)是對每個人的大量細胞進行測序。解決這些挑戰(zhàn)對于剖析常見異質性疾病的遺傳和分子基礎是必要的。
在一項新的研究中，來自澳大利亞加文醫(yī)學研究所、昆士蘭大學、塔斯馬尼亞大學、墨爾本大學、新南威爾士大學、莫納什大學和美國加州大學舊金山分校的研究人員提出了OneK1K隊列，包括針對從982名供者體內收集的127萬個外周血單核細胞（PMBC）的單細胞RNA測序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)。相關研究結果發(fā)表在2022年4月8日的Science期刊上，論文標題為“Single-cell eQTL mapping identifies cell type–specific genetic control of autoimmune disease”。
這些作者開發(fā)了一個細胞分類框架，并通過結合scRNA-seq數(shù)據(jù)和基因型數(shù)據(jù)，他們繪制了14種免疫細胞類型中每種類型的基因表達的遺傳效應，并確定了26597個獨立的順式表達數(shù)量性狀基因座（eQTL）。他們發(fā)現(xiàn)其中的大多數(shù)eQTL對基因表達的等位基因效應是細胞類型特異的。他們的結果在兩個獨立的隊列中得到了重現(xiàn)，其中的一個隊列由與他們的發(fā)現(xiàn)隊列不同血統(tǒng)的個體組成。在所有的基因座上，他們的發(fā)現(xiàn)隊列和重現(xiàn)隊列在不同免疫細胞類型中的等位基因方向的一致性在72.2至98.1%之間。
Tabula Sapiens細胞圖譜。
圖片來源：Science, 2022, doi:10.1126/science.abl4896
【5】Science：構建出迄今為止最為龐大的多種人類器官的單細胞圖譜
doi：10.1126/science.abl4896
除了極少數(shù)例外，我們每個人身體里的數(shù)萬億個細胞都攜帶著基本相同的人類基因組，每個人類基因組包含2萬到2.5萬個蛋白編碼基因。但是，為了執(zhí)行使生命成為可能的專門功能，像腎臟、肺部、心臟和大腦這樣的器官依賴于由獨特的細胞類型構建的組織，當每個細胞類型發(fā)育到只表達基因組中的特定基因子集時，就會出現(xiàn)這種情況。在此之前，不同細胞類型的基因表達多樣性，即所謂的轉錄組（transcriptome），一直難以破譯。但隨著單細胞生物學的迅速發(fā)展，科學家們已經(jīng)開發(fā)出一些工具和技術，精確地揭示了構成組織和器官的不同細胞所表達的基因。除了帶來對正常生物學的更深理解，這些單細胞方法有望為新的治療方法開辟途徑，因為疾病通常會襲擊特定的細胞類型。
在一項新的研究中，來自Tabula Sapiens聯(lián)盟的研究人員公布了一個巨大的數(shù)字圖譜，繪制了來自24種人類組織和器官的近50萬個細胞的基因表達，包括肺部、皮膚、心臟和血液。相關研究結果發(fā)表在2022年5月13日的Science期刊上，論文標題為“The Tabula Sapiens： A multiple-organ， single-cell transcriptomic atlas of humans”。Tabula Sapiens細胞圖譜是包括來自同一人類供者的多種組織的最大圖譜，也是第一個包括組織的組織學圖像的圖譜，并納入了生活在組成腸道不同區(qū)室的人類細胞周圍的微生物群落的細節(jié)。
研究者Stephen Quake博士表示，這些數(shù)據(jù)的質量和廣度是無可比擬的。這個圖譜將使科學家們能夠提出并回答他們以前從未接觸過的有關人類健康和疾病的問題。”這篇新論文是本周發(fā)表在Science期刊上的四項主要合作研究之一，作為國際人類細胞圖譜（HCA）聯(lián)盟的一部分，所有這些研究都構建了全面和可公開獲得的跨組織細胞圖譜。HCA得到了包括陳-扎克伯格倡議（Chan Zuckerberg Initiative， CZI）在內的廣泛的全球資助者的支持。CZI的單細胞生物學項目也為Tabula Sapiens聯(lián)盟提供了資金。
【6】Science：利用單細胞RNA測序揭示系統(tǒng)性紅斑狼瘡的細胞類型特異性分子關聯(lián)和遺傳關聯(lián)
doi：10.1126/science.abf1970
系統(tǒng)性紅斑狼瘡（SLE）是一種異質性的自身免疫性疾病，在女性和亞洲、非洲和西班牙血統(tǒng)的人中發(fā)病率較高。bulk轉錄組分析表明，1型干擾素信號的增加、淋巴細胞激活失調和細胞凋亡清除的失敗是這種疾病的標志。許多參與這些過程的基因與系統(tǒng)性紅斑狼瘡相關的約100個基因位點相接近。盡管取得了這一進展，但對系統(tǒng)性紅斑狼瘡的循環(huán)免疫細胞的全面普查仍然是不完整的，對介導遺傳關聯(lián)的細胞類型和背景的注釋仍然具有挑戰(zhàn)性。
歷史上，流式細胞儀和bulk轉錄組分析被用來分析SLE中循環(huán)免疫細胞的組成和基因表達。然而，流式細胞術因其使用有限的已知標志物而會出現(xiàn)偏差，而bulk轉錄組分析沒有足夠的能力來檢測細胞類型的表達差異。對外周血單核細胞（PBMC）的單細胞RNA測序（scRNA-seq）作為一種全面和無偏差的方法，具有同時分析循環(huán)免疫細胞的組成和轉錄狀態(tài)的潛力。然而，scRNA-seq在人群隊列中的應用受到了樣本量、成本和對技術變化的敏感性的限制。為了克服這些限制，來自加州大學舊金山分校等研究機構的研究人員之前開發(fā)出多重scRNA-seq（multiplexed scRNA-seq， mux-seq），以實現(xiàn)對人群隊列的系統(tǒng)性和經(jīng)濟性scRNA-seq測序。
在一項新的研究中，這些研究人員利用mux-seq對來自162名系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者和99名亞裔或歐裔健康對照者的120多萬PBMC進行分析。相關研究結果發(fā)表在2022年4月8日的Science期刊上。系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者在PBMC的組成和狀態(tài)方面都表現(xiàn)出差異。對淋巴細胞組成的分析顯示，初始CD4+T細胞（na？ve CD4+ T cell）減少，而細胞庫限制（repertoire-restricted）的GZMH+CD8+T細胞增加。對八種細胞類型的轉錄組分析顯示，經(jīng)典的單核細胞對泛細胞類型和髓系特異性1型干擾素刺激基因（ISG）的表達水平最高。
【7】Science：我國科學家成功構建腫瘤浸潤T細胞的泛癌單細胞圖譜
doi：10.1126/science.abe6474
2021年12月23日訊/生物谷BIOON/---靶向腫瘤特異性T細胞的癌癥免疫療法已使許多癌癥患者受益，但是針對不同類型的癌癥的臨床療效差異很大。腫瘤浸潤T細胞經(jīng)常進入功能失調狀態(tài)，這一現(xiàn)象被廣泛稱為T細胞衰竭（T cell exhaustion），而效應T細胞的抗腫瘤功能受多種因素調節(jié)，包括調節(jié)性T細胞（Treg細胞）的存在。T細胞的狀態(tài)和豐度在不同癌癥類型的腫瘤微環(huán)境（TME）中有所不同，這可能從根本上影響不同的臨床參數(shù)，如對免疫療法的藥物反應。
在一項新的研究中，為了建立一種高分辨率的泛癌T細胞圖譜，來自中國北京大學的研究人員對各種癌癥類型的患者的腫瘤、癌旁組織和血液樣本進行了單細胞RNA測序（scRNA-seq），并收集了其他已發(fā)表的scRNA-seq數(shù)據(jù)集。在校正了混雜因素和批次效應后，對這些不同的數(shù)據(jù)進行了整合。該圖譜由21種癌癥類型的316名患者的scRNA-seq數(shù)據(jù)組成。將T細胞表面上的T細胞受體（TCR）序列與基因表達譜組合起來，以描述T細胞的擴增和動態(tài)。應用各種計算方法來研究不同癌癥類型的T細胞的特征和豐度。相關研究結果發(fā)表在2021年12月17日的Science期刊上。
這些作者在癌癥患者中發(fā)現(xiàn)了多種潛在的腫瘤反應性T細胞（pTRT）群體。在不同類型的癌癥的腫瘤微環(huán)境中，pTRT的狀態(tài)有很大的不同。對于CD8+T細胞而言，主要的pTRT是功能衰竭的T細胞，并表現(xiàn)出高度的異質性。他們通過計算推斷出T細胞衰竭的兩條主要發(fā)展路徑，分別是通過效應記憶T細胞和組織駐留記憶T細胞，而且這兩條路徑在不同的癌癥類型中都很普遍。他們還注意到末端衰竭的T細胞與自然殺傷（NK）樣T細胞、17型CD8+T細胞（Tc17細胞）細胞和CD8+Treg細胞等細胞之間的狀態(tài)轉換，但這類轉換往往發(fā)生在特定的癌癥類型中。
doi： 10.1016/j.cell.2021.10.024
在人類細胞中，總長約2米的基因組DNA通過與組蛋白纏繞形成核小體，并經(jīng)過螺旋折疊等方式盤繞形成染色體進而團聚于直徑10微米的細胞核中。在細胞內的DNA需要進行轉錄等活動的時候，DNA才會從組蛋白中釋放出來，裸露出需要與轉錄因子結合的位點從而便于轉錄，染色質的這種特性叫做染色質可及性，暴露的區(qū)域被稱為“開放染色質”。作為轉錄調控的核心區(qū)域，順式作用元件附近的染色質通常具有較高的可及性，利用全基因組染色質可及性檢測技術可鑒定出潛在的順式作用元件。
近日，發(fā)表在Cell雜志上的一項題為“A single-cell atlas of chromatin accessibility in the human genome”的研究中，來自美國加州大學圣地亞哥分校的研究團隊利用單細胞測序技術在30個人類組織中分析了約60萬個細胞，并通過與之前數(shù)據(jù)的集成分析識別了222個細胞亞型并注釋了近120萬個順式作用元件，繪制了目前最大規(guī)模的人類單細胞染色質可及性圖譜，為解析基因轉錄調控機制以及人類復雜疾病的致病機理提供了寶貴的參考資源。
該研究對人類發(fā)育的不同階段進行了較為全面的組織分析，同時也為尋找具有細胞類型特異性的致病基因提供了數(shù)據(jù)支持。
doi：10.1016/j.cell.2021.10.024
在一項新的研究中，來自美國加州大學圣地亞哥分校的研究人員為人類基因組構建出單細胞染色質圖譜。染色質是真核細胞中發(fā)現(xiàn)的由DNA和蛋白組成的復合物；在某些細胞核內，關鍵基因調控元件所在的染色質區(qū)域以開放的結構出現(xiàn)。在不同人類組織類型的細胞中精確地確定這些可訪問的染色質區(qū)域將是理解基因調控元件（非編碼DNA）在人類健康或疾病中的作用的重要一步。相關研究結果于2021年11月12日在線發(fā)表在Cell期刊上。
對于科學家來們說，俗稱“生命之書”的人類基因組大部分是未撰寫的?；蛘咧辽偈菦]有讀取過。雖然科學界對構建人類所需的所有蛋白編碼基因給出了一個著名的（近似）數(shù)字，即大約20000多個，但這一估計并沒有真正開始解釋這種基因組構建過程究竟是如何運作的，或者在疾病的情況下，它如何可能出現(xiàn)問題。
論文通訊作者、加州大學圣地亞哥分校表觀基因組學中心主任Bing Ren博士說，“人類基因組在20年前被測序，但解釋這部生命之書的意義仍然具有挑戰(zhàn)性。一個主要的原因是，人類DNA序列的大部分，超過98%，都是非蛋白編碼的，我們還沒有一本遺傳密碼書來解開嵌入在這些序列中的信息?！睋Q句話說，這有點像知道章節(jié)標題，但頁面的其余部分仍是空白。填補這些空白的努力廣泛地體現(xiàn)在一項正在進行的國際努力中，即DNA元件百科全書（Encyclopedia of DNA Elements， ENCODE）。特別是，Ren及其同事們已研究了染色質的作用和功能。作為由DNA和蛋白組成的復合物，染色質在真核細胞的細胞核內形成染色體。
小鼠前列腺癌發(fā)生后50天對其結構進行3D重建。
圖片來源：Julian Taranda/Osten lab/CSHL, 2021
【10】Cell Rep：科學家將單細胞分辨率下的全器官成像技術與免疫組化技術相結合來揭示前列腺癌的發(fā)生和轉移機制
doi：10.1016/j.celrep.2021.110027
盡管癌癥的啟動和轉移的早期步驟對理解疾病的發(fā)病機制非常重要，但卻難以進行可視化的研究；近日，一篇發(fā)表在國際雜志Cell Reports上題為“Combined whole-organ imaging at single-cell resolution and immunohistochemical analysis of prostate cancer and its liver and brain metastases”的研究報告中，來自冷泉港實驗室等機構的科學家們通過研究開發(fā)了一種新方法來研究小鼠機體中胰腺癌的生命史；文章中，研究人員結合了他們在全器官成像和前列腺癌方面研究的專業(yè)知識，追蹤了胰腺癌細胞如何生長成為腫瘤病擴散到其它器官中；這種方法或能幫助研究人員首次在一種能準確模仿真實生活的疾病環(huán)境中來研究前列腺癌細胞的行為和特性。
天然腫瘤通常源于一個出現(xiàn)問題的單一細胞，然而在實驗室小鼠機體中生長的合成性腫瘤往往起源于數(shù)百萬個細胞而并非單一細胞；這一過程或許并不能準確反映癌癥是如何發(fā)生的。研究者表示，以皮膚癌為例，其發(fā)生是遭受了紫外輻射的細胞成為了誘因，而并非是整個皮膚。
文章中，研究者Osten等人所描述的新方法能利用一種更有針對性的技術來研究非常早期的前列腺癌，其能利用一種病毒來講一種正常的小鼠前列腺細胞轉化為癌變細胞；這一孤獨的癌細胞或能利用名為全器官序列雙光子斷層掃描的顯微鏡技術進行定位；這種斷層掃描機器是完全自動化的，其能對器官上層的所有細胞進行拍照成像，同時還會切下一塊并對下一層進行成像，同時還會重復這一過程，直到其拍攝了整個器官。接下來在利用了一種人工智能程序后，該機器就能在單細胞分辨率下對器官進行3D重建。
這一點非常重要，因為在癌癥的后期階段，機體或許就會攜帶大量癌細胞，這樣研究人員就能很容易找到這些細胞；而在早期階段，機體器官中或許可能只會攜帶很少量的細胞，因此利用傳統(tǒng)方法尋找這些癌細胞或許存在很大難度，因為這些方法必須不斷切開組織不斷尋找。（生物谷Bioon.com）
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