基因表達是將基因攜帶的遺傳信息轉變為可辨別表型的整個過程，以DNA為模板合成RNA轉錄的過程是基因表達過程的第一步，也是基因表達調控的關鍵環節。轉錄組分析技術是通過在整體水平上研究細胞中基因轉錄的情況及轉錄調控規律，將單細胞的基因型與表型聯系起來的一種強有力的方法。近日發表在《自然方法學》（Nature methods）的一篇最新論文中，作者詳細地綜述了單細胞轉錄組分析技術的歷史、進展、潛在應用和未來的發展。

    所謂轉錄組，廣義上講就是指單個細胞中轉錄出來的所有RNA成分，而狹義上講則是指RNA聚合酶II活性的多聚腺苷酸產物。近年來高通量測序技術取得了日新月異的發展，科研人員通過RNA測序(RNA-seq)技術即可獲得高分辨率的單細胞轉錄組信息。利用這些信息科研人員能更深入地了解單細胞在決定細胞命運的關鍵階段對信號及其他環境因素產生反應的機制以及獲得異常表型的時間。生物體中幾乎所有細胞都有著相同的基因型，然而在不同的細胞類型中反應基因表達狀況的轉錄組卻受到細胞表觀遺傳學狀態的影響顯示出其獨特性。因而科學家們常以此來解析多細胞生物體發育過程中生理功能、行為及表型下的基因調控網絡。

    由于不同的細胞具有獨特的轉錄組，從理論上講轉錄組分析應該在單細胞水平上開展。此外，這一分析還應涵蓋單堿基分辨率下所有類型全長RNAs的準確序列、數量、定位、活性（例如活性轉錄或降解）以及修飾等信息。然而事實上，mRNA, rRNA, tRNA和小核RNA可能在成千上萬的不同位點有超過100個結構各異的轉錄后修飾。且由于受到檢測的敏感度等技術限制，大部分轉錄組的研究還只能在幾十萬或上百萬個細胞水平上才能開展。在某些情況下由于無法收集大量的細胞，例如早期胚胎，使得轉錄組分析極其困難。

    近期的研究表明即使在極其相似的細胞類型中基因表達也常常顯示異質性。這種轉錄組的隨機變異對于細胞的命運起著重要的決定作用。例如近期哈佛大學的Sunney Xie和同事們證實隨機的單分子事件可啟動單個細菌細胞的表型轉換。轉錄組的差異還可提供疾病組織中細胞類型組成的關鍵信息，例如包含少量癌癥干細胞的腫瘤。在相似細胞類型中基因表達的異質性有可能是受到了基因組表觀遺傳學狀態、生物鐘、細胞周期、細胞微環境以及內在轉錄“噪音”等差異的影響。事實上，從細菌到人類的所有模型生物體中基因表達均具有隨機性。這一部分是由于單個細胞的大多數基因中，基因組DNA模板僅有一個（原核生物）或兩個（大多數真核生物）拷貝用于轉錄，且啟動表達的分子事件本身具有隨機的特性。為了了解基因表達異質性和隨機性的基礎及重要性，非常有必要在單個細胞中對轉錄組進行檢測。

    單細胞轉錄組分析的歷史

    早在20多年前Norman Iscove就率先利用PCR指數擴增單細胞cDNAs的方法在單細胞水平上開展了轉錄組分析。隨后，James Eberwine又利用T7 RNA聚合酶體外轉錄（IVT）對cDNAs進行了線性擴增。這些技術幫助科學家們更深入地了解了哺乳動物神經細胞發育及功能分子機制。

                      圖1：單細胞轉錄組分析的策略

      
 
       實線代表實驗已證實的策略；虛線則表示未來有可能實現的策略。

    而后，高密度DNA芯片的商業化應用進一步推動了單細胞微陣列技術的發展。然而盡管這一技術具有高效性，可用于獲得全基因組基因表達模式，但擴增的cDNA片段一般較短（幾百個堿基對），且不能用于檢測選擇剪接生成的轉錄物。目前這一技術僅適用于檢測已知基因。

    單細胞轉錄組分析的應用

    單細胞轉錄組分析可用于確定全基因組范圍基因調控網絡，可與目的基因過表達、敲除或沉默技術合并用于揭示靶細胞中基因表達調控機制。尤其是用于分析早期胚胎發育過程中干細胞與細胞的分析因為這些細胞亞群具有高動態和異質性特征。此外，由于基因表達的隨機性特性可顯著地影響單個細胞的命運及表型。解析細胞群中基因表達的異質性亦是單細胞分析的重要研究方向。例如在胚胎干細胞中基于Nanog, Rex1 或 Stella的表達情況即可了解細胞亞群的異質性。

    單細胞轉錄組分析的另一個應用方向則是確定不同亞細胞室區的基因表達譜。眾所周知在神經元中mRNAs需從細胞體活性轉運至軸突或樹突進行翻譯。單細胞轉錄組分析可用于檢測在軸突或樹突特異性定位的mRNAs，從而用于確定這些神經元的生理功能。

   由于新一代測序技術可提供單堿基分辨率的信息，單細胞轉錄組分析還可用于分析單個細胞中等位基因特異性的基因表達，以鑒別兩等位基因間的單核苷酸多態性。這將有助于我們深入了解單個細胞中遺傳元件與表觀遺傳學元件影響等位基因特異性表達的機制。