单细胞测序在表观遗传学中的应用

单细胞测序在表观遗传学中的应用

（2018年10月）

单细胞测序（single cell sequencing）是指先分离纯化单个细胞，并提取该细胞的DNA 或RNA进行扩增后测序的技术1。该技术起步虽不太久，但已深受关注，被竞相用于研发和生产、医用2。相比于宏观组织样品的测序，单细胞测序对于细胞和组织的异质性具有更加明确的分辩，当然，难度也相对更高。

由于在某些组织或研究领域（如癌症、干细胞池等），细胞处于显著的动态发展中，细胞与细胞间差异巨大，而后续的显著变化（如成瘤、分化等）、组织的异质性，却往往来源于一个细胞克隆。从而，利用表观遗传学（epigenetics）这种非基因组核酸序列的功能差异，对基因组DNA序列的物理修饰，关联和构象进行研究，将它们与表观遗传记忆，细胞特性和组织特异性功能联系起来，来研究某一组织生理病理的变化就具有了极大的必要性3。此时，如果笼统考察组织块的表观遗传学改变，很容易模糊了幂律分布下细胞水平的差异4；相反，结合单细胞测序方法，可用来捕获DNA甲基化，染色质可及性，组蛋白修饰，染色体构象和复制动态以及非编码RNA修饰等，这些技术正迅速成为细胞可塑性和多样性研究的有力工具，可着眼于癌症、干细胞等早期的表观遗传学变化，对于理解病因、早期诊断、晚期控制等方面具有极高的价值，为基因调控和疾病预后提供了有价值的见解5。

单细胞分辨率下表征表观基因组的实验方法的快速发展，为更好地理解表观遗传机制及其与基因调控的错综复杂的关系提供了有力工具。在单细胞水平上，表征和区分表观遗传动力学是可行的；虽然单细胞分析不能替代介入分析，但可以与其结合以区分间接相关与直接相关；此外在单细胞水平上表征和区分表观遗传维持和重编程的动态也是可行的，单细胞表观基因组还可用于定义功能亚群和微环境，而不仅仅着眼于表观遗传调控本身，例如在研究肿瘤病理学及干细胞时，当RNA不能容易地和快速地提取或当转录所研究的细胞的转录状态不稳定或过于动态，基因组学和转录组学可能无法为手头的问题提供明确的答案时，单细胞表观基因组可能提供最佳的方法来研究种群内的单细胞，用来从全基因组水平全面且无偏倚的表征肿瘤病理学或干细胞微环境6,7。

尽管分离纯化单细胞难度较高，而且DNA的表观遗传修饰很难通过传统的聚合酶进行扩

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