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单细胞测序已成为生物医学领域的关键共性技术。然而,由于缺乏高效的手段降低“假单细胞率”,主流微流控平台的单通道细胞通量通常在1万细胞以下,空载率达到90%以上,且成本高昂,限制了对数百万个细胞或上千例样本的人群队列进行大规模研究。

近日,中国科学院北京基因组研究所(国家生物信息中心)蒋岚研究组基于组合标记技术路线改造优化主流微流控平台,开发了新型单细胞转录组测序技术FIPRESCI,使细胞通量比现有技术提高十倍以上,大幅降低成本。该成果在《基因组生物学》(Genome Biology)期刊发表。

研究团队使用FPERSCI对人和小鼠细胞系混合物测序,获取了8000多个高质量的细胞,其中99.8%的细胞都能明确来源,表明FIPERSCI具有很低的假单细胞率。随后,为了验证新技术对不同组织的兼容度,使用FIPERSCI对小鼠整个E10.5胚胎的细胞进行细胞核测序,在10X Genomics单通道中获取了超过10万细胞核的数据。注释结果显示,细胞类型的成分与已发表的参考数据相似。此外,FIPERSCI数据还可用于鉴定细胞类型和发育阶段特异的调控元件(启动子和增强子)使用偏好,发现了著名基因Rbfox2在抑制性神经元发育过程中使用不同的启动子的动态变化。

进一步地,研究人员使用FIPERSCI对来自不同癌症病人及健康人外周血中的T细胞进行单细胞RNA和TCR双组学测序。数据显示,相较于健康人,癌症病人外周血中T细胞在细胞亚群组分、基因表达、TCR克隆等多个层面存在显著差异。基于小样本量的数据建模,已经足以区分癌症病人和健康人,提示低成本的FIPERSCI技术具备基于免疫细胞信息应用于癌症液体活检及早筛方面的潜力。

综上所述,该新型单细胞测序技术可突破现有技术的设计局限,大幅提高效率并降低成本,适用于单细胞转录组和调控元件活性、免疫受体序列等多模态分析,有望有力支撑跨器官水平的大规模参考细胞图谱研究、跨时间和空间的器官发育研究、针对大规模健康人和疾病的队列细胞图谱研究、高通量CRISPR基因编辑和药物筛选的单细胞分子表型刻画研究等。

该项工作得到中科院战略性先导科技专项、中科院全球共性挑战专项项目、科技部重点研发计划、国家自然科学基金委有关项目等的资助。

FIPRESCI实验流程图

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