深入解码“一个”细胞的基因组！单细胞定序翻转癌症、生殖医学临床进展

细胞是构成生物体的最基本单元，细胞间细微的表现差异可能就足以构成疾病发生。近 10 年来，越来越多细胞与分子生物学研究迈向以“单一细胞”作为分析单位，更细致探讨组织中细胞在基因组、转录组的表现差异；单细胞定序（single cell sequencing）则扮演实现这个研究趋势的重要工具。

2020 年，单细胞空间转录组分析（spatial transcriptomics）入选为《Nature》期刊年度最佳技术，该期《Nature》报导介绍道，单细胞定序分析就像从一道沙拉中分离出确切水果种类、组成数量的方法，不再像传统定序方法只能取得多细胞平均值，而能透过区分少量细胞并拼组细胞的空间分布，更深入反映细胞之间的多组学关系。

基因线上此次特别专题分别从技术回顾、公司介绍、人物专访系列深度专文，介绍单细胞定序的应用现况与潜力。本篇文章将依序介绍单细胞定序原理、发展趋势、以及临床应用的疾病领域汇整，完整回顾这项值得关注新兴技术。

单细胞定序怎么做？

“单细胞定序”是透过分离出单一细胞 DNA、RNA 遗传物质，再扩增其基因组、转录组、或其他多组学进行定序分析后，进而得知单一细胞在组织中的异质性，并且提供描绘细胞图谱的有用资讯。随着技术演进，单细胞定序临床应用越来越主流，如用于探讨肿瘤发生与转移机制，就与单一细胞的特定基因表现密切相关。

单细胞定序拓展 NGS 技术

单细胞定序可以鉴别单一细胞类型、探讨细胞分子机制的优势，可与目前相当常见的次世代基因定序 NGS 技术结合，同时分析大量细胞的基因资讯。随着蛋白体学（proteomics）受到重视，负责转录出蛋白质的 mRNA ──也就是转录组（transcriptome）渐成为研究目标。例如在急性骨髓性白血病（acute myeloid leukemia, AML）族群，造血干细胞的 NGS 高通量 RNA-seq 可以分化出恶性增生的造血细胞群，有助医师拟定相应治疗策略。

多样临床应用

单细胞定序的临床应用相当广泛，以下分别介绍在癌症、神经性疾病、生殖医学、免疫学等领域发展现况。

癌症

肿瘤周边微环境（microenvironment）主导肿瘤发展与转移机制，而微环境中存在复杂的细胞异质性，一直是影响癌症免疫疗法成效的关键成因。有别于传统定序方法只能针对细胞群进行分析，单细胞定序可以鉴别出特定细胞种类以及其生物标记，已成功被用于分析乳癌发生与不同型态乳腺上皮细胞（mammary epithelial cells）的关联、解释肝癌肿瘤微环境的免疫作用导致抗药性反应成因。

神经性疾病

神经性疾病方面，单细胞定序也推动显著的临床进展。因为神经系统中的神经元组成高度复杂，而且是与基因体拷贝数变异（copy number variation）有关，基因层次的分子变异更造成分析神经细胞种类难度。使用单细胞定序技术得以分析神经细胞不同分化阶段的基因特性，也可以借由单细胞图谱，理解神经细胞与大脑认知功能的关系，对于探讨脑部发育、神经退化性疾病疗法有很大贡献。

生殖医学

生殖医学仰赖精确的基因筛检基础，单细胞定序能够深入分析精、卵、或胚胎细胞基因组，辅助遗传性疾病的筛检、诊断、治疗流程。又以生殖医学中的“免疫不孕”议题为例，面临孕妇因胎盘免疫排斥造成流产、胚胎着床问题，现有研究已经运用单细胞定序分析胎盘细胞转录组，解码胚胎的免疫相关调节机制，改善妊娠疾病和降低怀孕风险。