深入解碼「一個」細胞的基因組！單細胞定序翻轉癌症、生殖醫學臨床進展

細胞是構成生物體的最基本單元，細胞間細微的表現差異可能就足以構成疾病發生。近 10 年來，越來越多細胞與分子生物學研究邁向以「單一細胞」作為分析單位，更細緻探討組織中細胞在基因組、轉錄組的表現差異；單細胞定序（single cell sequencing）則扮演實現這個研究趨勢的重要工具。

2020 年，單細胞空間轉錄組分析（spatial transcriptomics）入選為《Nature》期刊年度最佳技術，該期《Nature》報導介紹道，單細胞定序分析就像從一道沙拉中分離出確切水果種類、組成數量的方法，不再像傳統定序方法只能取得多細胞平均值，而能透過區分少量細胞並拼組細胞的空間分佈，更深入反映細胞之間的多組學關係。

基因線上此次特別專題分別從技術回顧、公司介紹、人物專訪系列深度專文，介紹單細胞定序的應用現況與潛力。本篇文章將依序介紹單細胞定序原理、發展趨勢、以及臨床應用的疾病領域彙整，完整回顧這項值得關注新興技術。

單細胞定序怎麼做？

「單細胞定序」是透過分離出單一細胞 DNA、RNA 遺傳物質，再擴增其基因組、轉錄組、或其他多組學進行定序分析後，進而得知單一細胞在組織中的異質性，並且提供描繪細胞圖譜的有用資訊。隨著技術演進，單細胞定序臨床應用越來越主流，如用於探討腫瘤發生與轉移機制，就與單一細胞的特定基因表現密切相關。

單細胞定序拓展 NGS 技術

單細胞定序可以鑑別單一細胞類型、探討細胞分子機制的優勢，可與目前相當常見的次世代基因定序 NGS 技術結合，同時分析大量細胞的基因資訊。隨著蛋白體學（proteomics）受到重視，負責轉錄出蛋白質的 mRNA ──也就是轉錄組（transcriptome）漸成為研究目標。例如在急性骨髓性白血病（acute myeloid leukemia, AML）族群，造血幹細胞的 NGS 高通量 RNA-seq 可以分化出惡性增生的造血細胞群，有助醫師擬定相應治療策略。

多樣臨床應用

單細胞定序的臨床應用相當廣泛，以下分別介紹在癌症、神經性疾病、生殖醫學、免疫學等領域發展現況。

癌症

腫瘤周邊微環境（microenvironment）主導腫瘤發展與轉移機制，而微環境中存在複雜的細胞異質性，一直是影響癌症免疫療法成效的關鍵成因。有別於傳統定序方法只能針對細胞群進行分析，單細胞定序可以鑑別出特定細胞種類以及其生物標記，已成功被用於分析乳癌發生與不同型態乳腺上皮細胞（mammary epithelial cells）的關聯、解釋肝癌腫瘤微環境的免疫作用導致抗藥性反應成因。

神經性疾病

神經性疾病方面，單細胞定序也推動顯著的臨床進展。因為神經系統中的神經元組成高度複雜，而且是與基因體拷貝數變異（copy number variation）有關，基因層次的分子變異更造成分析神經細胞種類難度。使用單細胞定序技術得以分析神經細胞不同分化階段的基因特性，也可以藉由單細胞圖譜，理解神經細胞與大腦認知功能的關係，對於探討腦部發育、神經退化性疾病療法有很大貢獻。

生殖醫學

生殖醫學仰賴精確的基因篩檢基礎，單細胞定序能夠深入分析精、卵、或胚胎細胞基因組，輔助遺傳性疾病的篩檢、診斷、治療流程。又以生殖醫學中的「免疫不孕」議題為例，面臨孕婦因胎盤免疫排斥造成流產、胚胎著床問題，現有研究已經運用單細胞定序分析胎盤細胞轉錄組，解碼胚胎的免疫相關調節機制，改善妊娠疾病和降低懷孕風險。