北大團隊發展最新單細胞多重組學測序技術

單細胞三重組學測序技術（scTrio-seq）

單細胞中三種組學之間的對應關系

癌癥中兩個細胞亞群的DNA拷貝數差異

　　2016年2月23日，《細胞研究》（Cell Research）雜志在線發表了北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬研究組、黃巖誼研究組和首都醫科大學附屬北京世紀壇醫院暨北京大學第九臨床醫學院肝膽胰外科彭吉潤研究組合作的最新研究成果——單細胞三重組學測序揭示肝癌細胞基因組、表觀組和轉錄組的異質性（Single-cell triple omics sequencing reveals genetic, epigenetic, and transcriptomic heterogeneity in hepatocellular carcinomas）。該項研究建立了一種全新的單細胞三重組學測序方法（scTrio-seq），在國際上首次從同一個單細胞中實現對三種組學高通量測序信息的同時獲取，并從單細胞水平發現肝癌細胞在三種組學上存在密切相互關聯的高度異質性。

　　生物體內的同一種組織甚至同一種細胞類型的各個細胞之間，也往往存在著很大的差異。而傳統的基于混合大量細胞的組學研究不僅無法觀察到細胞之間的差別，并且會導致一部分重要細胞的獨特特征被掩蓋。因此單細胞組學分析技術對系統、深入研究特異種類的細胞特征以及細胞之間的差異起著重要作用。近年來，科學家們已經分別在基因組、轉錄組和DNA甲基化組等水平實現了單細胞單一組學的高通量測序分析，并且研究了單個生殖細胞、早期胚胎細胞以及癌癥細胞的組學特征。

　　單細胞的多組學研究一直是科學家們的夢想。最近，國際上若干研究組分別報道了單細胞雙組學同時測序技術（單細胞基因組和轉錄組； 單細胞DNA甲基化組和轉錄組），然而，目前一直無人能突破單細胞三個組學甚至更多個組學平行測序的技術瓶頸。

　　scTrio-seq技術首次實現了單細胞三重組學的高通量測序分析，可同時檢測哺乳動物同一個單細胞內的基因組、DNA甲基化組和轉錄組信息。

　　該項研究發現，在單個細胞內，基因區域DNA甲基化程度與基因表達有著很強的正相關性，且甲基化發生在不同的基因區域上會對基因的表達有不同的調控作用。接著，研究者們還發現基因組DNA的拷貝數與該區域上的基因表達亦有很強的正相關性，即DNA拷貝數較多的區域，其上的基因表達量也隨之增高，反之亦然，從而在單細胞水平上證明了基因表達的劑量效應。然而DNA拷貝數的變化并不會影響其上DNA甲基化水平的變化。

　　我國是肝癌高發區，并且肝癌患者的預后較差，因此對肝癌的發生和轉移的機制研究迫在眉睫。而癌癥組織又是一個同時在基因組、轉錄組和表觀組等層面上都存在高度異質性的細胞群體，因此更加需要采用單細胞三種組學同時分析技術來深入研究腫瘤發生過程中三種組學之間的調控機制。

　　該研究團隊運用最新開發的scTrio-seq技術對一名肝細胞肝癌病人癌組織中的25個癌細胞進行了三種組學的同時分析。三種組學的數據都表明這25個肝癌細胞來自兩個不同的細胞亞群。在此基礎上，研究者們進一步分析了兩個亞群在三種組學上的差異。研究發現，在基因組水平上，亞群I中的細胞含有較多拷貝數增加的染色體及染色體片段，而亞群II中含有較多拷貝數減少的染色體和染色體片段；在DNA甲基化水平上，亞群I比亞群II有更高的DNA甲基化水平，且產生的差異大多發生在CpG島（CGI）區域；在轉錄組水平上，多個與炎癥免疫應答相關的基因，以及與補體激活相關的基因的表達在亞群I中都有顯著的降低，而與癌癥發生和轉移相關的重要基因ANO1和S100A11等的表達在兩個亞群中亦有明顯的差別。多種組學的數據顯示，在被檢測肝癌細胞中，數量上占比較小的亞群I細胞擁有更多的DNA拷貝數變異以及更高的DNA甲基化水平，可能更易逃脫患者免疫應答系統的識別，因而可能更加容易發生轉移。

　　北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心的湯富酬研究員、黃巖誼研究員和北京世紀壇醫院肝膽胰外科的彭吉潤教授是該論文的共同通訊作者。北京大學生命科學學院的博士研究生侯宇和北京大學醫學部的碩士研究生郭化虎是這篇論文的并列第一作者。湯富酬研究員和黃巖誼研究員同時是北大清華生命科學聯合中心的研究員。該項研究得到了國家自然科學基金和科技部的支持。