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众所周知，单细胞测序技术的出现大大促进了发育生物学、癌症生物学等多个领域的发展。单细胞测序技术依赖于基因表达图谱的相似性或者RNA新陈代谢动力学等因素来推断细胞短时间的发育轨迹。然而，发育轨迹推断的准确性受到相应假设的制约。例如，当测序细胞数不够时可能遗漏对轨迹推断具有重要意义中间状态细胞。此外，本质上基于单细胞转录组绘制的发育轨迹是从分子角度推断细胞间的谱系联系，而真正描述细胞间的谱系联系的金标准是遗传示踪技术。单细胞谱系示踪技术是单细胞测序技术与遗传示踪技术的有机结合。在捕获单细胞转录组的同时，它还获取了不同细胞的谱系联系信息，提高了发育轨迹推断的准确性，是单细胞测序技术领域的又一重大突破。 2022年4月19日，来自中国科学院广州生物医药与健康研究院的彭广敦研究员在Protein & Cell杂志上发表了题为Connecting past and present: single-cell lineage tracing的综述（中国科学院广州生物医药与健康研究院的陈城博士为本文第一作者）。在这篇文章中，作者们深入地探讨了单细胞谱系示踪技术的主要实现形式、重要应用及技术实现注意事项，并对该技术的进一步改进和应用进行了展望。
1. 单细胞谱系示踪技术的实现形式 不同于传统的荧光遗传示踪技术，在单细胞谱系示踪技术中，承载遗传示踪信息的元件是一条或者一组DNA序列片段，简称为条形码。由于条形码的多样性，条形码示踪可以捕获更多的细胞分裂信息，从而提高了识别细胞谱系联系的精确度。为了保证捕获条形码的效率，条形码一般被置于组成型表达元件（例如EF1a-GFP）的3’UTR区域，从而被转录组测序方法所捕获。鉴于单细胞转录组测序技术的成熟，此处单细胞谱系示踪技术的关注点更多是条形码的实现形式。目前条形码的主要实现形式为3种：整合性型条形码、polylox条形码和CRISPR条形码，见图1。此外，最近又出现了一种点突变条形码。不同条形码根据自身特点可以通过随机插入或者定点插入的方式整合到目标基因组中。
图1. 基于条形码的单细胞谱系示踪技术 2. 单细胞谱系示踪技术的应用 基于条形码的单细胞谱系示踪技术同时采集了单细胞转录组和细胞间的谱系关联信息，除了可进行单细胞转录组技术的各项分析外，还有很多独特的分析应用场景。目前单细胞谱系示踪技术的主要应用（见图2）包括：判断被标记祖先细胞的多能性，描绘细胞群发育轨迹，刻画不同细胞群的亲缘远近，以及挖掘不同祖先克隆细胞群之间的转录差异。如果结合定量分析，该技术有可能进一步分析出细胞经历过增殖和分化次数。
图2. 单细胞谱系示踪技术的分析应用场景 3. 单细胞谱系示踪技术注意事项 单细胞谱系示踪技术的实现过程主要包括条形码元件的导入、单细胞转录组和示踪信息读取、转录组和示踪数据整合分析三大步骤。由于目前技术尚处于发展当中，该技术在实际应用时还有很多注意事项，见图3。首先，不同条形码导入细胞基因组的方式可以根据需求选择随机插入或者定点插入。其次，对于CRISPR条形码而言，CRISPR诱导随机插入/删除等突变生成的动力学过程也对示踪信息的有效性具有重要影响，编辑过快会导致可用靶点消耗过快，无法全程标记发育过程中的多个层级。再次，读取单细胞谱系示踪信息时主要存在两方面的信息损失，细胞损失和示踪信息损失。再者，在根据条形码信息重建谱系树方面，不同算法存在一定差异，对最终数据的解读具有一定的影响。最后，不同批次实验中获得的谱系重建树具有一定差异，如何整合多棵谱系树形成发育谱系的总体认知仍是目前领域内正在探讨的问题。
图3. 单细胞谱系示踪技术应用注意事项 4. 结论与展望 不同类型的条形码在实际使用时具有不同的优缺点。例如，整合型条形码适用于体外追踪初始细胞群，polylox条形码使用于体内追踪祖先细胞群，而CRISPR条形码视其产生时间与关注生物学过程的先后，即可在体内外实现初始细胞群的克隆分析，又可实现单细胞祖先细胞来源细胞群的亚克隆分析，是目前大力发展的方向。类似于CRISPR条形码，新近发展的点编辑条形码因其丰富的多样性也具有较大潜力。近年来空间组学技术迅猛发展，为发育生物学的研究提供了重要的空间维度信息。如能有效整合空间组学技术和示踪技术，将可从时间和空间两个维度挖掘生物学事件的分子机制，从而更全面地理解生物学事件的发生发展过程。上述技术均存在其相应的优缺点，还需要进一步改善，从而用于发育、癌症发生、细胞移植等多种场景的机制分析。 原文链接： https://link./article/10.1007/s13238-022-00913-7 |
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