单细胞多组学高通量测序平台（二）

虽然single-cellsequencing的方法仍在不断推出，但是目前使用最为广泛、商业化成熟的方法仍是10×Genomics公司推出的ChromiumTM系统。

1.2以RNA-seq为例介绍高通量单细胞测序技术

1.2.110×Genomics技术介绍

10×Genomics公司推出的ChromiumTM系统其技术核心是油滴包裹的凝胶珠（GelBeadinEmulsion,GEM）。该技术可以解决核心难点：快速高效分离细胞并将细胞和下一步反应所需试剂混合。该系统有75万种带有条形码的凝胶珠（barcodedgelbeads），每个凝胶珠上有40-80万探针。每个探针含有四段各司其职的重要序列，下面对四段序列一一介绍。

探针资本整理

带有条形码的凝胶珠通过横向孔道进入微流体“双十字”交叉系统，在第一个十字处，细胞通过纵向孔道运至交叉处，细胞与凝珠通过碰撞吸附在一起，继续行进至第二个十字处，进入油相，包裹形成油滴。通过此过程完成单细胞的分离和混合反应试剂的重要步骤，即含BarcodedRTPrimers的GelBeads、细胞和酶的混合物，三者结合形成GEMs，即包裹GelBeads、细胞和酶的混合物的油滴。

GEM形成后，细胞裂解，通过一系列反应构建文库，构建好的文库即可通过高通量测序仪测序获得序列信息，根据序列的BC可将序列分至一个个单细胞，根据UMI，可去除掉PCR扩增引入的重复，获得每个基因的准确表达量。具体建库流程如下：1）凝胶珠溶解释放大量barcode序列；2）随后mRNA逆转录产生带有Barcode和UMI信息的cDNA；3）油滴破碎，cDNA为模板进行PCR扩增；4）cDNA打断、加测序接头等传统二代测序的建库过程。

10×单细胞建库流程框架探针资本整理

10×单细胞建库流程10×Genomics官网探针资本

1.2.2其他主流技术介绍：BDRhapsody平台

BD在单细胞捕获时不再采用微流控孔道技术，而是使用CytoSeq蜂窝板技术，通过超过量的微孔保证细胞极大概率被单个投入微孔中，从而达到了分离单细胞的目的。在分离得到单细胞后，进行细胞裂解，反转等常规建库流程。

1.3其他单细胞测序技术

1.3.1Single-cellATAC-seq

10×Genomics开发的TheChromiumSingleCellATACSolution是基于Chromium系统，思路与单细胞转录组测序相似，不同之处是样品为细胞核，并且在制备样品时加入转座酶进行插入和连接接头步骤，之后使用相同的流程完成单细胞核建库。

1.3.2单细胞甲基化测序

DNA甲基化（DNAmethylation）是DNA化学修饰之一，指DNA的CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位在DNA甲基化转移酶的作用下，共价键结合一个甲基基团。DNA甲基化是研究最为广泛的表观修饰，DNA甲基化修饰的存在使得相同序列可以具有不同功能，获得修饰的胞嘧啶所在区域的结构、DNA构象和稳定性等都会受到改变，从而影响基因表达。

DNA甲基化修饰（DNAmethylation）检测方法按照是否使用亚硫酸盐可以分为两类，其中金标准是亚硫酸盐测序（bisulfitesequencing）。DNA经亚硫酸盐处理后，非甲基化的胞嘧啶转变为尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶保持不变。经过PCR扩增、测序等步骤，并与参考序列（未经处理）的序列进行比对，若参考序列为C，而测序结果中为T，则判断是未发生甲基化的位点；参考序列和测序结果均为C，则判断是发生甲基化的位点。

由于亚硫酸盐会导至DNA降解，使得单细胞水平低起始量的甲基化测序难以实现。直至2013年，汤富酬团队发明了单细胞RRBS（single-cellReducedrepresentationbisulfitesequencing）技术。该技术通过将所有反应整合在一个体系中完成优化了实验方法。

虽然亚硫酸盐导至DNA降解的问题被缓解，但其仍然存在，并且不同位点转化的比例差异较大，使得检测得到的结果并不稳定。而利用APOBEC胞嘧啶脱氨酶选择性将没有修饰的C变为U，最终测序为T，与参考序列比对，则可得到甲基化位点。该方法使用甲基化修饰酶对DNA损伤小，但由于酶对于C的修饰效率受限，基于酶的测序方法需要根据片段大小调整酶量，从而获得较高的分辨率。

亚硫酸盐测序和EnzymaticMethyl-seq对比

1.3.3单细胞蛋白组测序

质谱（MassSpectrometry，MS）是目前最常使用的蛋白质组学分析技术，它无需标记，可分析整个蛋白质组。然而质谱的灵敏度不高，检测群体细胞蛋白质组时，通常需要上万个细胞的蛋白总量，所以在检测单细胞时，由于单个细胞内蛋白质含量大大降低，使用质谱法检测单细胞蛋白质组仍需要方法上的改进。

2011年，来自斯坦福大学的SeanC.Bendall等人结合质谱技术和流式细胞技术，发明了质量流式细胞术（CyTOF），其原理如图所示，首先利用含不同过渡金属同位素标签的抗体标记细胞内的特定蛋白，被标记好的细胞随后进入质谱流式细胞仪，逐个喷出单细胞微滴，进入电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）装置，通过定量过渡金属元素标签从而得知每个细胞中各个结合蛋白的含量。由于金属离子的非特异性结合极低，方法的敏感性大幅提升。