单细胞测序技术 概述

单细胞测序技术
是指在单个细胞水平上对转录组或基因组进行扩增并测序，以检测单细胞在基因组（结构变异-Structural Variations-SVs；拷贝数变异-Copy number variants-CNVs；单核苷酸变异-Single nucleotide variants-SNVs等），转录组学（RNA表达水平；转录本的选择性剪接），表观组学（DNA 甲基化等），蛋白组学多个组学的数据（如下图所示）。

 

 

 

 

为什么要做单细胞测序以及如何实现单细胞测序？

单细胞测序技术的突出优点是可以从细胞图谱的角度，探测细胞特异性以及细胞间的差异，探索细胞间的协同运作方式，研究组织异质性问题。根据细胞层面的特征对疾病进行深度刻画。

 

目前的单细胞测序平台
大规模被使用的单细胞测序平台主要有以下五种：

10x Chromium Single Cell Gene Expression Solution；
BD Rhapsody? Single-Cell Analysis System；
Illumina? Bio-Rad? Single-Cell Sequencing Solution；
ICELL8 Single-Cell System；
C1? 单细胞全自动制备系统。

 

为什么要使用单细胞测序？

对于多细胞生物来说，细胞与细胞之间是有差异的。

比如说，受精卵从一个细胞开始分裂，并逐渐形成囊胚，最终发育成个体的时候，细胞与细胞之间的差异会越来越大：有的分化成神经元，有的分化成骨骼肌，各自表达着不同的遗传信息，承担着不同的生理功能。

又比如在肿瘤组织中，肿块中心的细胞，肿块周围的细胞，淋巴转移灶的细胞，以及远端转移的细胞，其基因组和转录组等遗传信息，是存在差异的。而这种差异，在临床上，可以决定该肿瘤对某种疗法是否有效。

这就是所谓的遗传信息的异质性。

传统的研究方法，是在多细胞水平进行的。因此，最终得到的信号值，其实是多个细胞的平均，丢失了异质性的信息。为了让大家能够更加直观地理解这个问题，看下面这张图：

 

 

 

为了检测某个蛋白质的表达量，可以用Western blot和流式细胞术来实现。但是，用Western blot的话，并没有办法区分上述的情况：目的蛋白只在10%的细胞中强表达，还是在50%的细胞里中等表达，还是在所有细胞中弱表达呢？因为最终电泳跑出来，就是一条差不多强度的带。但如果用流式细胞术这种在单细胞水平对荧光强度加以测定的技术，就能区分上述的情况了。

同样道理，单细胞测序能够检出混杂样品测序所无法得到的异质性信息。而这将带领整个遗传学领域进入新的次元。

 

需要测多少细胞？ 

单细胞 RNA-seq 为我们了解组织的组成等提供非常好的工具，而单细胞测序的效果也取决于我们到底测多少细胞，一般而言几百个细胞的单细胞测序不仅仅捕获常见的细胞成分，对于一些稀少的细胞类型也会测到，不过，需要考虑的情况是我们捕获细胞的方法是否具备一定的偏颇？比如不同类型细胞的大小？细胞的形态？是否会对细胞的获取有所倾向？同时我们还需要考虑实验产生的误差，我们需要估计我们所操作的成功率，由于 RNA 降解，细胞的凋亡等，这些数据将会被排除，我们初始选择的细胞个数往往会大于我们目标测序的细胞个数。

 

需要测多深？
如果我们使用 UMI 计数方法（ UMI 计数，是指在建库过程中，通过在引物上，增加随机序列，则对于同一种 mRNA 连上同样的 UMI 概率几乎为 0，则我们可以忽略由于 PCR 造成的误差，对于一种 mRNA，测到的 UMI 数量可以近似看成 mRNA 的表达个数），推荐每一个转录本至少覆盖 3-4 倍，确保一些低表达的 mRNA 不会因为 noise 而被忽略，一般而言，illumina 的一条 lane 中最终可以被使用的数据大概占 50%，另一些 reads 因为实验技术所限，为一些 adaptor 等无效序列。

 

REF

https://zhuanlan.zhihu.com/p/269461589

https://zhuanlan.zhihu.com/p/28844468

https://www.plob.org/article/11101.html