DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-024-01186-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38443594
تاريخ النشر: 2024-03-05
المؤلف: Jongsu Lim وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم النسخ الجيني أحادي الخلية والمكاني
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التأثير التحويلي لتقنيات الأوميكس على مستوى الخلية الواحدة على التحليل الجزيئي، مع التأكيد على قدرتها على كشف التباين والعمق الخلوي الذي غالبًا ما تخفيه طرق الأوميكس التقليدية. من خلال تحليل الخلايا الفردية، تكشف هذه التقنيات عن أنواع خلايا متنوعة، وحالات ديناميكية، وسكان نادرين، مما يوفر دقة وحساسية غير مسبوقة في فهم المشهد الجزيئي للخلايا.
علاوة على ذلك، يسمح دمج بيانات الأوميكس متعددة الأبعاد داخل الخلايا الفردية بفحص شامل للعمليات الخلوية، مما يسهل الحصول على رؤى حول التفاعلات المعقدة، والشبكات التنظيمية، والآليات الجزيئية. تناقش المراجعة التقدمات الأخيرة في الأوميكس على مستوى الخلية الواحدة والأوميكس متعددة الأبعاد، موضحة المبادئ والمنهجيات لمختلف التقنيات مع معالجة نقاط قوتها وقيودها. كما تتضمن دراسات حالة توضح تطبيقات هذه الأساليب عبر مجالات متعددة، بما في ذلك علم الأحياء التطوري، وعلم الأعصاب، وأبحاث السرطان، وعلم المناعة، والطب الدقيق.
مقدمة
تستعرض مقدمة هذه الورقة البحثية التأثير التحويلي لتقنيات الأوميكس على مستوى الخلية الواحدة على البحث البيولوجي، مع التأكيد على قدرتها على كشف التباين والعمق الخلوي الذي تفشل طرق التسلسل التقليدية في التقاطه. يسمح تسلسل الخلايا الفردية بالتوصيف التفصيلي للخلايا الفردية، كاشفًا عن أنواع خلايا متنوعة، وحالات ديناميكية، وسكان نادرين، مما يوفر رؤى عالية الدقة حول الجينومات، والترانسكريبتومات، والبروتيومات، وعلم الوراثة اللاجينية. هذا التقدم ضروري لفهم تطور الخلايا، وآليات الأمراض، والتفاعلات المعقدة داخل الأنظمة البيولوجية.
كما تقدم الورقة المجال الناشئ للأوميكس متعددة الأبعاد على مستوى الخلية الواحدة، الذي يدمج البيانات عبر أبعاد جزيئية مختلفة داخل خلية واحدة. يسهل هذا النهج التكاملي فهمًا شاملاً للعمليات الخلوية والعلاقات السببية بين الطبقات الجينية، والوراثية اللاجينية، والبروتيومية، والتمثيل الغذائي. تعتبر مثل هذه الرؤى ذات قيمة خاصة لتفكيك الأمراض المعقدة، حيث تتطلب منظورًا متعدد الأبعاد لتوضيح الآليات الجزيئية الأساسية. تهدف المراجعة إلى مناقشة المبادئ، والاعتبارات التقنية، وسير العمل التجريبية، والرؤى البيولوجية للأوميكس على مستوى الخلية الواحدة والأوميكس متعددة الأبعاد، مع معالجة التحديات، والفرص، والاتجاهات المستقبلية في هذا المجال الذي يتطور بسرعة.
الطرق
تناقش هذه القسم طرقًا مختلفة لتحليل الأوميكس متعددة الأبعاد على مستوى الخلية الواحدة، مع التأكيد على دمج تحليل الترانسكريبتوم وتحليل الميثيلوم لتوضيح العلاقة بين ميثيل الحمض النووي والتعبير الجيني في تجمعات خلايا غير متجانسة. تكشف تقنيات مثل تسلسل الميثيلوم والتعبير الجيني على مستوى الخلية الواحدة (scM&T-seq) وscMT-seq عن تأثيرات مختلفة للميثيل على النسخ، حيث تظهر scM&T-seq علاقة سلبية بين ميثيل المروج غير CGI والنسخ، بينما تشير scMT-seq إلى أن ميثيل مروج CpG لا يؤثر على مستويات التعبير الجيني. تعزز طرق أخرى، بما في ذلك SMART-RRBS وsn-m3C-seq، الفهم لتكوين الكروماتين وتفاعلات الميثيل، حيث نجحت sn-m3C-seq في تمييز أنواع الخلايا في القشرة الجبهية البشرية وبناء أطلس جينومي ثلاثي الأبعاد لدماغ الفأر.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط هذه القسم الضوء على التقدمات في تقنيات مثل scTrio-seq وإصدارها المحسن، scTrio-seq2، التي تسمح بالتحليل المتزامن لميثيل الحمض النووي، وتغيرات عدد النسخ (CNVs)، وتعبير RNA في أبحاث السرطان، وخاصة في سرطان الكبد الخلوي. يسهل تطوير تسلسل الأوميكس متعددة الأبعاد على مستوى الخلية الواحدة (scCOOL-seq) وإصداره المحسن، iscCOOL-seq، التحليل الشامل للميزات الجينية، بما في ذلك إمكانية الوصول إلى الكروماتين وتعبير الجينات. كما يتم تناول دمج التحليل البروتيومي مع الترانسكريبتوميات، مع طرق مثل CITE-seq وREAP-seq وICICLE-seq التي تمكن من التحليل المتزامن للبروتينات والترانسكريبتات، مما يسد الفجوة بين التعبير الجيني ووفرة البروتين مع معالجة الحاجة إلى التحليل الجيني في هذه الأساليب متعددة الأبعاد.
المناقشة
تستعرض قسم المناقشة في الورقة البحثية التقدمات في تقنيات عزل الخلايا وتسلسلها، مع التأكيد على أدوارها الحيوية في تحليل الخلايا الفردية. يتم تسليط الضوء على تقنيات مثل فرز الخلايا المعتمد على الفلورية (FACS) والأجهزة الميكروفلويدية لكفاءتها في عزل الخلايا الفردية، حيث تقدم الميكروفلويديات مزايا كبيرة في الإنتاجية وفعالية التكلفة. كما يتم مناقشة دمج ترميز الخلايا في سير عمل التسلسل، مما يمكّن من التحليل المتزامن لعدة خلايا مع الحفاظ على هويتها، مما يسهل التسلسل عالي الإنتاجية.
تتعمق هذه القسم أيضًا في الجينوميات على مستوى الخلية الواحدة، والترانسكريبتوميات، والبروتيوميات، والميثيلوميات، موضحةً طرقًا مختلفة وتحدياتها الخاصة. على سبيل المثال، تُلاحظ تقنيات تضخيم الجينوم الكامل (WGA) مثل DOP-PCR وMDA لقدرتها على تضخيم الحمض النووي من الخلايا الفردية، على الرغم من وجود قيود في التغطية والعيوب المحتملة. في الترانسكريبتوميات، مكنت التقدمات مثل تسلسل RNA على مستوى الخلية الواحدة (scRNA-seq) من التوصيف التفصيلي لأنماط التعبير الجيني، بينما توفر التحليلات البروتيومية باستخدام مطياف الكتلة والأساليب المعتمدة على الفلورية رؤى حول تنوع البروتين على مستوى الخلية الواحدة. بشكل عام، تؤكد المناقشة على التأثير التحويلي لهذه التقنيات على البحث البيولوجي، مما يسمح بفهم أعمق لوظائف الخلايا وتنوعها.
DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-024-01186-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38443594
Publication Date: 2024-03-05
Author(s): Jongsu Lim et al.
Primary Topic: Single-cell and spatial transcriptomics
Overview
The section provides an overview of the transformative impact of single-cell omics technologies on molecular profiling, emphasizing their ability to reveal cellular heterogeneity and complexity that traditional bulk omics approaches often obscure. By analyzing individual cells, these techniques uncover diverse cell types, dynamic states, and rare populations, offering unprecedented resolution and sensitivity in understanding the molecular landscape of cells.
Moreover, the integration of multimodal omics data within single cells allows for a comprehensive examination of cellular processes, facilitating insights into complex interactions, regulatory networks, and molecular mechanisms. The review discusses recent advancements in single-cell and multimodal omics, detailing the principles and methodologies of various techniques while addressing their strengths and limitations. It also includes case studies that illustrate the applications of these approaches across multiple fields, including developmental biology, neurobiology, cancer research, immunology, and precision medicine.
Introduction
The introduction of this research paper outlines the transformative impact of single-cell omics techniques on biological research, emphasizing their ability to reveal cellular heterogeneity and complexity that conventional bulk sequencing methods fail to capture. Single-cell sequencing allows for the detailed characterization of individual cells, uncovering diverse cell types, dynamic states, and rare populations, thereby providing high-resolution insights into genomes, transcriptomes, proteomes, and epigenetics. This advancement is crucial for understanding cellular development, disease mechanisms, and the intricate interactions within biological systems.
The paper also introduces the emerging field of single-cell multimodal omics, which integrates data across various molecular dimensions within a single cell. This integrative approach facilitates a comprehensive understanding of cellular processes and the causal relationships between genetic, epigenetic, proteomic, and metabolic layers. Such insights are particularly valuable for dissecting complex diseases, as they require a multidimensional perspective to elucidate underlying molecular mechanisms. The review aims to discuss the principles, technical considerations, experimental workflows, and biological insights of single-cell and multimodal omics, while also addressing the challenges, opportunities, and future directions in this rapidly evolving field.
Methods
The section discusses various methods for single-cell multimodal omics analysis, emphasizing the integration of transcriptome and methylome profiling to elucidate the relationship between DNA methylation and gene expression in heterogeneous cell populations. Techniques such as single-cell genome-wide methylome and transcriptome sequencing (scM&T-seq) and scMT-seq reveal differing impacts of methylation on transcription, with scM&T-seq showing a negative correlation between non-CGI promoter methylation and transcription, while scMT-seq indicates that CpG promoter methylation does not affect gene expression levels. Other methods, including SMART-RRBS and sn-m3C-seq, enhance the understanding of chromatin conformation and methylation interactions, with sn-m3C-seq successfully distinguishing cell types in the human prefrontal cortex and constructing a 3D genome atlas of the mouse brain.
Additionally, the section highlights advancements in techniques like scTrio-seq and its improved version, scTrio-seq2, which allow for simultaneous analysis of DNA methylation, copy number variations (CNVs), and RNA expression in cancer research, particularly in hepatocellular carcinoma. The development of single-cell multiomics sequencing (scCOOL-seq) and its enhanced version, iscCOOL-seq, further facilitates the comprehensive analysis of epigenomic features, including chromatin accessibility and gene expression. The integration of proteomic analysis with transcriptomics is also addressed, with methods like CITE-seq, REAP-seq, and ICICLE-seq enabling the simultaneous profiling of proteins and transcripts, thereby bridging the gap between gene expression and protein abundance while addressing the need for epigenomic analysis in these multimodal approaches.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines advancements in single-cell isolation and sequencing technologies, emphasizing their critical roles in profiling individual cells. Techniques such as fluorescence-activated cell sorting (FACS) and microfluidic devices are highlighted for their efficiency in isolating single cells, with microfluidics offering significant advantages in throughput and cost-effectiveness. The integration of cell barcoding into sequencing workflows is also discussed, enabling the simultaneous analysis of multiple cells while preserving their identities, thus facilitating high-throughput sequencing.
The section further delves into single-cell genomics, transcriptomics, proteomics, and methylomics, detailing various methods and their respective challenges. For instance, whole-genome amplification (WGA) techniques like DOP-PCR and MDA are noted for their ability to amplify DNA from single cells, albeit with limitations in coverage and potential artifacts. In transcriptomics, advancements such as single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) have enabled detailed characterization of gene expression patterns, while proteomic analyses using mass spectrometry and fluorescence-based methods provide insights into protein diversity at the single-cell level. Overall, the discussion underscores the transformative impact of these technologies on biological research, allowing for a deeper understanding of cellular functions and heterogeneity.