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

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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。

图片来源/ Cell & Bioscience (2019)


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。

免疫学

最后,免疫系统中不同的细胞分型与分化途径,也向来是自体免疫性疾病、甚至癌症免疫疗法重要的研究重点。免疫系统会随着不同病源入侵或者人体老化,影响免疫细胞组成、增加组成复杂性,因此单细胞定序介入可以追踪特定细胞种类、其抗原表现及细胞分化模式,比如用于探讨神经发炎疾病的免疫机制调节手段,已发挥其优势。


单细胞应用前景与现有限制

单细胞定序技术不仅推动发育生物学、细胞生物学基础研究大步进展,也为癌症、免疫性疾病等重要治疗领域,累积许多过去难以取得的有用临床资讯。尽管如此,单细胞定序仍面临一些发展限制。

以癌症而言,由于单细胞定序的检体属于微量组织,难确保采集样本含有目标肿瘤细胞与遗传物质,肿瘤转移与现有组织采检技术特性都会影响分析结果准确度。未来持续整合单细胞定序与既有采检、诊断方法,提升不同分析工具在临床情境的实用性将是一个改良方向。

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参考资料:

  1. Cell & Bioscience, 2019; https://cellandbioscience.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13578-019-0314-y
  2. Experimental & Molecular Medicine, 2020; https://www.nature.com/articles/s12276-020-00495-6.pdf
  3. Nature, 2021; https://www.nature.com/articles/s41592-020-01033-y?fbclid=IwAR20PVUAIZRxnxPVtcGRBX-6MJCEnhLWxpO1XZLeb_o8kkyPd4ImPy8hWw4

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