文章题目：Single-cellmultimodalomics:thepowerofmany
期刊：NatureMethods
影响因子：28.5
摘要：近期单细胞测序技术的发展为研究多细胞有机体中的基因调控程序带来了前所未有的分辨力与通量。在深入解析生物系统运行机制的道路上，单细胞多组学工具的开发是未来主要的发展方向。
有机体的生物学过程是通过复杂的细胞及分子的网络相互作用来推进和完成的。任何组织正常的生理功能均依赖于适当的信号通讯及其相互作用。每个细胞均拥有其特定的功能，正常功能的发挥取决于细胞的基因调控网络，这一网络主要包含特定的转录因子及其顺式调控序列。在细胞、组织、乃至器官水平，对这一网络进行系统性分析将极大的加深作者对于生理过程及病理过程的理解。尽管基因组测序已经能够对这一网络进行解析，但单细胞多组学技术无疑将极大的加速我们的研究进程，帮助我们更加深入的理解网络的连接特性及其运作规律。
机体中几乎所有的细胞都拥有相同的基因组（genome），其特定功能及“身份”是由表观组（epigenome）决定的：DNA及核小体蛋白的共价修饰随着发育进程不断变化，影响基因表达，带来差异化的细胞功能，形成众多不同类型的细胞。在不同细胞中，表观组、转录组及蛋白组同时进行联合分析和研究，对描述细胞“身份”及状态具有重要作用，也更加能够发掘到特定细胞类型的独特调控网络。近期单细胞组学技术取得了很大的进展，不仅能够对单个细胞的基因组、转录组及表观组进行单独分析，也能够同时对这些不同组学层面进行并行分析1，极大的促进了我们对于生物学网络的研究与理解。这是因为细胞调控网络的复杂程度非常高，仅仅对单个组学层面进行分析仍有极大的局限性。同时检测两个甚至多个组学层面的网络，无疑将更加有利于全面和系统的解析这一复杂的调控网络，加深我们理解“细胞调控回路”（circuitry）或者“分子调控回路”在组织、器官发育过程中的功能。
本文中，我们将单细胞多组学技术划分为两大类别。第一类方法通量较低，其主旨是每次对单个细胞的多个组学层面进行检测和分析，从而勾勒出单个细胞中调控网络的“全貌”。这一类技术的特点是通量较低同时成本较高（图1，蓝色文字标示的方法）。第二类方法具有较高的通量（high-throughput），能够同时对数千个乃至上百万个细胞进行分析（图1，棕色文字标示的方法）。这些方法通过微液滴平台或者DNA组合标签来实现高通量，提高了可分析的细胞规模及扩展性，同时降低了成本。
图1单细胞多组学技术汇总图中所示方法是通过同时剖析单个细胞中表观组、基因组、转录组及细胞表面蛋白来达到多组学分析的目的。蓝色文字标示的方法通量较低，棕色文字的方法具有较高通量。
“序列的差异怎样影响表型”，这是生物学研究中的基本问题之一。DR-seq2（gDNA-mRNAsequencing）及GT-seq3(genomeandtranscriptomesequencing)技术通过同时进行基因组测序及转录组分析，可用于发掘序列差异与分子表型之间的关系。DR-seq利用特定的引物对mRNA进行扩增，富集RNA分子，从而与DNA分子区别开来。GT-seq则是通过特定的磁珠来分别富集mRNA及DNA，将它们进行物理隔离并分别检测。对同一个细胞的基因组和转录组同时进行解析，有助于鉴定肿瘤细胞中的DNA序列变异，这些序列差异能够引起细胞之间基因表达的差异，对肿瘤细胞的相关功能具有重要作用。scMT-seq4(single-cellmethylomeandtranscriptomesequencing),scMT-seq5,scTrio-seq6(single-celltripleomicssequencing)及snmCT-seq7(single-nucleusmethylcytosineandtranscriptomesequencing)，这四种技术能够同时分析甲基化组（methylome）与转录组。例如在小鼠胚胎干细胞的研究中，利用scMT-seq将这两个层面的调控网络相结合，明确了不同细胞中基因组甲基化状态对基因表达的的影响4。通过这样的联合分析，能够鉴定到众多细胞发育过程中的关键调控因子，例如干细胞的维持、细胞状态的转化与分化等。
scCOOL-seq8(single-cellchromatinoverallomic-scalelandscapesequencing)及scNOMe-seq9(single-cellnucleosomeoccupancyandmethylomesequencing)两个技术可用于研究不同表观调控网络之间的相互联系，即核小体占位及甲基化组两个层面。scCOOL-seq技术被用于发现小鼠胚胎早期发育过程中染色质动态变化与DNA甲基化修饰的互作机制8。在两组表观网络的基础上，snNMT-seq10(single-cellnucleosome,methylationandtranscriptionsequencing)以及scNOMeRe-seq11(single-cellnucleosomeoccupancy,methylomeandRNAexpressionsequencing)更进一步引入转录组检测，实现了“单细胞三组学测序”，从而揭示了这三组调控网络，在小鼠胚胎发育过程中及胚胎干细胞分化过程中的动态变化情况。
在鉴定基因组调控元件的研究中，对开放染色质区域进行定位能够提供强有力的实验证据，发掘出高度异质性的组织中各种不同类型细胞所具有的不同的调控元件1。scCAT-seq12(single-cellchromatinaccessibilityandtranscriptomesequencing)以及
