细胞是生命活动的基本单位。细胞的特殊性决定了个体的特殊性，因此，对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键所在。细胞生物学已经成为当代生物科学中发展最快的一门尖端学科。
单细胞测序技术的出现为深入“阅读”细胞带来了前所未有的机会。2009年，北京大学生科院汤富酬教授在博士后期间即发表了世界上第一篇单细胞mRNA测序的文章，实现了“从0到1”的跨越。这次重要的尝试开启了单细胞转录组测序的时代。
单细胞测序技术是指在单个细胞水平上，对基因组、转录组、表观组进行高通量测序分析的一项新技术。它能够揭示单个细胞的基因结构和基因表达状态，反映细胞间的异质性，在肿瘤、发育生物学、微生物学、神经科学等领域发挥重要作用，正成为生命科学研究的焦点。2013年单细胞测序技术被Nature Methods评为年度技术。同年，《科学》杂志（Science）将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首，认为该技术将改变生物界和医学界的许多领域。由于单细胞测序技术广阔的应用前景，2015年单细胞测序技术再度登上Science 转化医学封面。
绘制同一个器官的单细胞转录组和单细胞表观调控组图谱可以为器官结构和功能认识、人类疾病机制探究和临床前药物研发提供更加全面的信息。目前针对人体及其他模式动物的图谱研究正火热的进行中，其中有代表性的图谱计划有人类细胞图谱计划（The Human Cell Atlas，HCA）、小鼠细胞图谱计划（The Mouse Cell Atlas，MCA）、非人灵长类细胞图谱研究计划（Non-Human Primate Cell Altas，NHPCA）等。
1 人类细胞图谱计划
人类细胞图谱计划（The Human Cell Atlas）是一项与“人类基因组计划”相媲美的大型国际合作项目：根据独特的分子信息（如基因表达）对所有人类细胞种类进行定义，并将这些信息与传统的细胞学表述（如位置和形态）相关联。
2017年10月，美国麻省理工学院-哈佛大学博德研究所的计算生物学家Aviv Regev、英国威康信托桑格研究所细胞遗传学负责人Sarah A． Teichmann在论文预印本平台bioRxiv发表了一篇文章，文章标题即为“The Human Cell Atlas”，系统论述了HCA的意义、目标、任务和实施路径，标志着这项具有重大意义的大规模人类细胞图谱计划启动。
长远来说，人类细胞图谱计划旨在描述人体中每个细胞（约37万亿个）的详细特征，呈现不同类型细胞在人体组织的3D结构，勾勒所有人体系统的相互联系，揭示图谱变化与健康和疾病的关系。人类细胞图谱计划将彻底改善人们对疾病的理解、诊断和治疗。截至目前（2022.7），人类细胞图谱计划已经收录了来自261个项目的26,300,000个单细胞的测序数据，并在持续更新中（https://data.humancellatlas.org/）。
1.1人类细胞图谱计划新成果
2022年5月13日，国际顶级学术杂志《Science》四篇重磅论文同时上线，报告了人类细胞图谱计划（Human Cell Atlas）取得的里程碑结果，创建出了迄今为止最为全面的泛组织人体单细胞图谱。
- 迄今为止最为全面的泛组织人体单细胞图谱：涉及33种人体组织、超过100万个细胞，涵盖500多种细胞类型。
- 整合了人体多个器官组织的细胞图谱，采用系统性的细胞命名方式，可以比较特定细胞类型在不同组织的分布，以及组织特异性的基因表达，揭示新的细胞功能。
- 将为理解常见疾病和罕见疾病、疫苗开发、抗肿瘤免疫和再生医学等事关全人类健康的重要议题提供洞见。
- Tabula Sapiens细胞图谱是包括来自同一人类供者的多种组织的最大图谱，也是第一个包括组织的组织学图像的图谱，并纳入了生活在组成肠道不同区室的人类细胞周围的微生物群落的细节。
1.2 人类胃癌细胞图谱
据世界卫生组织国际癌症研究署（WHO IARC）发布的2020年最新全球癌症负担数据显示，胃癌是目前全世界发病人数第五、死亡人数第四的癌症类型。来自杜克-新加坡国立大学医学院和新加坡科学技术局基因组研究所等机构的研究人员在 Cancer Discovery 期刊发表了题为：Single-cell atlas of lineage states, tumor microenvironment and subtypespecific expression programs in gastric cancer 的研究论文。
该研究组装了迄今世界上最大、分辨率最高的胃癌单细胞图谱（超过20万个细胞），该图谱在单细胞水平上提供了关于胃癌如何进展，以及不同胃癌患者的肿瘤如何彼此不同的新见解。这些研究结果还确定了驱动胃癌生长和扩散到其他器官的分子途径，为更好地治疗胃癌奠定了基础。
- 31名处于不同阶段的胃癌患者，共采集到46个肿瘤样本；
- 发现了34种不同的细胞类型，其中一些以前在胃肿瘤中未被检测到；
- 不同胃癌患者的肿瘤显示出不同的细胞组成情况；
2 非人灵长类细胞图谱研究
非人灵长类动物（non-human primate）在遗传、器官结构、生理功能、病理反应和生化代谢等诸多方面表现出与人类相似的特征，是生物医学研究和药物研发的理想动物模型，具有重要的研究价值。其中，食蟹猴（Macaca fascicularis）作为生物医学研究中常用的一种非人灵长类动物模型，和人的基因相似度高达93%，广泛用于包括当下新冠疫情在内的临床前药理、毒理研究中。因此，系统评估食蟹猴等非人灵长类动物模型与人类的细胞组成差异、器官异质性和基因表达时空特异性，将为深入理解与人类生命活动相关的生理功能、药物反应、疾病防治等提供重要理论依据。
2.1 华大食蟹猴图谱项目
论文题目“Cell transcriptomic atlas of the non-human primate Macaca fascicularis”，2022年2月23日发表于国际顶级学术期刊《Nature》。
该研究由深圳华大生命科学研究院联合北京华大生命科学研究院、深圳国家基因库、吉林大学、中国科学院广州生物医药与健康研究院、华南理工大学、瑞典卡罗林斯卡医学院、英国剑桥大学、西班牙ICREA研究所、新加坡ASTAR等来自6个国家的35个科研团队共同参与完成。
深圳华大生命科学研究院联合国家基因库共同搭建的非人灵长类动物百万单细胞交互式资源网站——非人灵长类动物全细胞图谱数据库（NHPCA）于国家基因库生命大数据平台（CNGBdb）同期上线，旨在为生物医学发展提供一个全面、便捷基于单细胞水平的非人灵长类多组学数据可视化资源库，助力人类疾病研究。
研究团队最终基于华大自主研发的单细胞建库和测序平台，对成年猕猴的45个器官的约114万个细胞进行了单细胞测序分析。将其分成了113种主要的细胞类型和463种细胞亚类。
2.2 南大食蟹猴图谱项目
2022年7月13日，南京大学陈迪俊团队、孙洋团队联合浙江大学医学院附属儿童医院谢诒诚团队在Nature Communications在线发表题为“A reference single-cell regulomic and transcriptomic map of cynomolgus monkeys”的研究论文，该研究利用单细胞测序技术绘制了非人灵长类动物食蟹猴（Macaca fascicularis）主要器官的单细胞转录组和调控组参考图谱。
研究者对食蟹猴的16个器官（心、肝、脾、肺、肾、胃、结肠、肌肉、气管、主动脉、脂肪、膀胱、舌头、乳腺、子宫和睾丸）的数据进行了单细胞转录组测序（scRNA-seq）和单细胞染色质开放性测序（scATAC-seq），以构建食蟹猴多器官的单细胞多组学参考图谱，将约25万个细胞进行无监督聚类分析得到40余种不同的细胞亚群，涉及17种不同的主要细胞类型。
研究者还进行了跨物种比较分析，通过整合分析器官匹配的单细胞转录组数据，探讨了人、食蟹猴和小鼠三个物种之间的细胞组成和基因表达特异性。研究发现食蟹猴和人都具有丰富的免疫细胞和上皮细胞类型，并且在对应的器官中具有极高的细胞组成和细胞互作相似性，以及基因表达模式相关性。这些结果提示食蟹猴是研究复杂疾病的理想模型，相关结果可为科学家选择合适的动物模型提供指导依据。
在该研究的修稿过程中，由深圳华大生命科学研究院主导的食蟹猴全身多器官单细胞图谱在Nature上发表（论文题目“Cell transcriptomic atlas of the non-human primate Macaca fascicularis”）。虽然这两项研究在实验设计上具有极高的相似性，但也有一些不同之处。例如，本研究同时涉及转录组和调控组学两方面的信息，因此对同一个器官来说得到的信息更加全面；在数据样本方面，乳腺和肌肉两个器官样本是本研究独有的；在转录组测序方面，本研究采用的是对新鲜组织样本的单细胞RNA测序（scRNA-seq），而华大则是对冷冻组织的单细胞核RNA测序（snRNA-seq），理论上讲scRNA-seq获取的mRNA信息更加全面。总的来说，这两项研究工作具有较好的互补性，为广大科研人员提供了宝贵的非人灵长类动物单细胞数据资源。
3 其他物种大型细胞图谱
3.1 小鼠细胞图谱
2018年2月，郭国骥等人在《Cell》发表了一项研究成果，他们基于Microwell-seq高通量单细胞测序平台，对来自小白鼠近50种器官组织的40余万个细胞进行了系统性的单细胞转录组分析，绘制了世界上第一张哺乳动物细胞图谱。。
在前期研究基础上，科研人员对小鼠七个重要发育阶段的十个重要组织进行了单细胞转录组分析，跨越了胚胎早期到成年成熟期，获得超过520，000个单细胞转录组数据，描绘了小鼠谱系发育和成熟过程的细胞状态流形图，并揭示了控制细胞命运决定的基因调控网络。相关研究论文于2022年7月11日在线发表于《Nature Genetics》上。
3.2 家猪多器官图谱
家猪在器官大小、结构、解剖学、遗传学和生理功能方面与人高度相似，被认为是人最有希望的异种移植来源。由于猪和人之间存在一些物种特异性的细胞和分子差异，异种器官移植的临床表现有待改进。为了解这两者之间的生物医学相似性和差异，并推动猪在生物医学研究中的应用，需要更深入地理解家猪器官中细胞组成的异质性和相互作用。 2022年1月7日，57岁的晚期心脏病患者David Bennett接受猪心脏移植，成为历史上第一个接受猪心脏移植手术的患者，最终存活了2个月。
深圳华大生命科学研究院罗永伦教授联合丹麦奥胡斯大学林琳教授等多家国内外科研团队利用单细胞转录组测序首次构建家猪多个组织和器官的单细胞转录组图谱，其成果发表于2022年6月的《Nature Communications》杂志中。
3.3 家蚕丝腺单细胞图谱
家蚕的丝蛋白合成能力超强，是迄今唯一被人类完全驯化并形成了重要产业的产丝动物。
2022年6月9日，西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室徐汉福课题组在《Nature Communications》上发表了题为“A single-cell transcriptomic atlas characterizes the silk-producing organ in the silkworm”的研究论文，以单细胞分辨率揭示家蚕丝腺的全细胞异质性及其基因转录图谱。
研究发现，家蚕丝腺中有10种主要细胞类群，它们分别执行丝素蛋白合成、丝胶蛋白合成、液态丝纤维化、细胞重建、丝蛋白代谢、几丁质代谢等功能。该成果对今后在单细胞水平上开展蚕丝蛋白合成调控研究和家蚕育种素材精准创制，促进以家蚕为模式的产丝蛋白合成调控及多元化开发利用研究，具有重大科学价值。
4 如何构建一个细胞图谱
单细胞测序技术可以解析海量细胞间的差异性，通过已单细胞转录组测序技术为主的多组学研究，为鉴定细胞类型、发现稀有细胞提供了数据支撑，同时开放的强大的单细胞数据库可以将细胞的注释更加精准，绘制的图谱分辨率也更高。因此，构建大型细胞图谱需要用到单细胞仪器、单细胞建库试剂盒、单细胞数据可视化分析软件和单细胞数据库。
5 助力细胞图谱研究的新格元单细胞系统方案
新格元生物成立于2018年，专注高通量单细胞多组学平台产品的自主开发及临床转化。公司成立后发展迅速，现已拥有一站式高通量单细胞测序平台，提供从组织样本处理，高通量单细胞分离及测序文库构建，到数据分析和临床意义挖掘的全面解决方案。现有产品包括自主开发生产的Singleron Matrix®自动化单细胞测序文库构建仪器、Singleron PythoN®组织解离仪、GEXSCOPE®高通量单细胞转录组试剂盒、单细胞核转录组试剂盒、免疫受体试剂盒、DynaSCOPE®海量单细胞转录组动态监测试剂盒、FocuSCOPE®靶向高通量单细胞测序产品、CeleScope®生信分析软件及SynEcoSys®单细胞数据库，并已服务500余家知名医院、药企及科研院所。
5.1 新格元单细胞仪器
在进行单细胞实验时，经常面临各种类型组织样本，因此需要高效快捷的单细胞悬液制备系统，以获得高活性高得率的单细胞悬液进行后续单细胞建库实验。新格元自主开发的Singleron PythoN®组织解离仪结合机械切割研磨解离+酶解离方法，搭配新格元广谱的sCelLive®组织解离液和一次性Singleron PythoN®解离管，以及精准数字化的参数调节模块，可快速从各类组织中解离得到高活性、高得率、高质量得单细胞悬液。
获得单细胞悬液之后，需要将单个细胞进行分割开来进行建库测序，目前最新的海量单细胞分离技术有微流控微孔板法（新格元，BD）和微流控油包水法（10X），其原理均是基于泊松分布和分子条形码（Barcode）技术进行海量单细胞独立建库测序的。其中新格元推出的Singleron Matrix®自动化单细胞测序文库构建系统可用于单细胞测序文库的制备，可将单细胞悬液分离至高密度的微流控芯片中，并自动完成细胞分离、细胞裂解、mRNA捕获步骤。该仪器极大的简化了单细胞测序文库构建的操作流程，减少人工环节以提高结果的稳定性及可重复性。
5.2 新格元单细胞试剂盒
新格元单细胞试剂盒可高效无偏好性地完成反转录、cDNA扩增及文库构建，显著提高测序文库产物得率及同等测序深度下的基因检出率，从而完成对数百至数万个细胞中的mRNA进行测序。试剂盒中提供有组织保存液（仅限Tissue Kit），组织解离液（仅限Tissue Kit），微流控微孔芯片，分子标签磁珠，扩增试剂及文库构建试剂，构建好的单细胞文库（illumina文库）可直接进行NGS测序。
5.3 新格元单细胞可视化分析软件
CeleScope®可视化分析软件是由Singleron开发的一组生物信息学分析流程，用于处理Singleron单细胞系统产品生成的单细胞测序数据。这些流程将双端 FASTQ 文件作为输入并生成可用于下游数据分析的文件和QC指标。
5.4 新格元单细胞数据库
精准的细胞注释和生物学意义发现需要依赖于强大的单细胞基因-细胞数据库，新格元开发的SynEcoSys®内置标准化单细胞数据集，配备CeleViz数据可视化和CeleLens (Lite)自动分析模块，是真正的界面版一站式单细胞大数据挖掘平台。数据库收录400+数据集，涵盖人/小鼠/恒河猴不同系统的50余种器官类型。通过关联基因层面和细胞层面的公共数据库、单细胞公共数据集、疾病和药物靶点信息，快速高效的提供从数据到临床意义的发现和解读。
参考文献
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