单细胞多组学及空间组学数据分析与应用

一、引言

生命科学研究正处于快速发展的阶段，随着技术的不断革新，对生物系统的理解也在逐步深入到单细胞和空间层面。单细胞多组学及空间组学技术应运而生，它们突破了传统研究手段在细胞异质性和空间结构解析上的局限，为我们打开了一扇全新认识生命奥秘的大门。单细胞多组学能够在单细胞分辨率下同时分析基因组、转录组、表观基因组、蛋白组等多种组学信息，全面描绘单个细胞的分子特征；空间组学则致力于在组织原位揭示基因、蛋白等分子的空间分布及细胞间的空间关系。这两种前沿技术的结合，为研究胚胎发育、肿瘤微环境、神经生物学等众多领域提供了前所未有的机遇，极大地推动了基础研究向临床应用的转化进程。

二、单细胞多组学技术进展

（一）单细胞表观遗传新突破 —scNanoATAC-seq2

2025 年 3 月 28 日，北大汤富酬课题组与清华纪家葵课题组合作取得重大进展，首次报道了 scNanoATAC-seq2 技术。该技术在单细胞起始量样本分析上实现了质的飞跃，成功揭示了小鼠着床发育前的染色质可及性图谱。传统的 ScATAC-seq 虽然已在研究中广泛应用，但对于珍稀样本而言，样本量少成为了实验开展的阻碍。而 scNanoATAC-seq2 有效解决了这一难题，能够在单细胞起始量下深入研究染色质可及性，精准捕捉重复元件的染色质状态，突破了重复序列、等位基因检测以及低检出度基因检测等方面的瓶颈。这一技术的出现，极大地推动了单细胞功能基因组研究，为后续深入探究遗传和发育异常等相关疾病的发病机制，以及为疾病的诊断和治疗提供可靠方法奠定了坚实基础。

（二）单细胞组蛋白修饰检测新技术 TACIT 和 CoTACIT

2025 年 2 月 26 日，北京大学何爱彬团队在《Nature》上发布了单细胞组蛋白修饰检测新技术 TACIT（Target Chromatin Indexing and Tagmentation）和 CoTACIT（Combined assay of Target Chromatin Indexed and Tagmented）。此前，单细胞组蛋白修饰检测技术由于起始样本量和分辨率的限制，难以广泛应用。TACIT 与 CoTACIT 技术则带来了突破性进展，将单细胞有效 reads 数提升近 50 倍（中位数达 49 万 +），成功实现了单细胞组蛋白修饰全景分析。该技术突破了传统技术对样本量的严苛要求，仅需 20 个细胞即可实现全基因组覆盖，且信噪比显著优于现有方案。研究团队通过整合 scRNA-seq 与多组学数据，并结合 ChromHMM 框架，成功揭示了胚胎发育早期染色质动态重编程规律，首创时间分辨表观谱系树。这一兼具单细胞精度与全景分析能力的技术，为再生医学的应用转化注入了强大动力。

（三）单细胞多组学在肿瘤免疫研究中的应用

2025 年 3 月 26 日，北京大学张泽民院士课题组与合作团队在《Cell》发表研究，通过 scRNA/TCR-seq 解析非小细胞肺癌新辅助治疗后免疫微环境异质性，为临床实践提供了重要指导。张泽民院士团队作为肿瘤与生信领域的领军力量，将非小细胞肺癌术后复发风险预测提升至单细胞精度，建立了五型免疫分型模型。同时，利用 scTCR-seq 揭示了 non-MPR 患者克隆扩增差异，成功识别耐药机制，有力地推动了肿瘤免疫研究从基础理论迈向临床应用的转化进程。该成果标志着张泽民教授从 “泛癌图谱到治疗图谱” 科研理念的成功实践突破，为肿瘤精准分型治疗提供了全新范式，有望改善癌症患者的预后和治疗效果。

三、空间组学技术进展

（一）空间组学集成分析工具包 SOAPy

中国科学院上海营养与健康研究所研究员李虹团队于 3 月 29 日在《基因组生物学》发表相关研究，推出了一款基于 Python 的空间组学集成分析工具包 SOAPy。组织结构与微环境在维持器官正常生理功能以及疾病发生发展过程中起着关键作用。近年来，空间组学实验技术飞速发展，使得在组织原位高通量捕获单细胞层面的分子特征成为现实，极大地深化了科学家对组织微环境的理解。然而，空间组学数据的复杂性也带来了严峻的计算挑战，现有的分析方法较为零散，难以满足深入研究的需求。SOAPy 基于灵活的预处理模块，可兼容多种空间组学平台的数据，从空间域识别、空间表达趋势、时空表达模式、细胞共定位、多细胞生态位及细胞间通讯六个维度，系统地解析空间组学中的常见问题。研究团队利用多种空间组学技术的数据集对 SOAPy 进行测试，结果证实了其在肿瘤和发育等多种应用场景下，解析细胞和基因空间分布模式方面具有显著优越性。例如，SOAPy 针对细胞间通讯和受配体相互作用设计了新的度量指标，显著降低了假阳性，并成功推断了分泌型配体与受体对（LR）介导的远距离相互作用和接触型 LR 介导的近距离作用；通过 SOAPy 的空间结构模块可定义肿瘤微环境中的细胞微生态，量化肿瘤的空间异质性并发现与患者预后相关的微生态；将 SOAPy 的时空分解模块应用于小鼠胚胎发育和肝损伤研究，可有效捕获时间和空间引起的基因表达变化。

四、单细胞多组学与空间组学的联合应用

（一）在胚胎发育研究中的应用

胚胎发育是一个极其复杂且有序的过程，涉及细胞的增殖、分化和迁移等多种动态变化。单细胞多组学与空间组学的联合应用，能够从分子和空间层面全面解析胚胎发育的调控机制。通过单细胞多组学技术，可以对胚胎发育不同阶段的单个细胞进行多组学分析，明确细胞的分子特征和分化轨迹；结合空间组学技术，能够确定这些细胞在胚胎组织中的具体位置和空间关系，了解细胞间的相互作用如何影响胚胎的形态发生和器官形成。例如，利用 scRNA-seq 和空间转录组技术，研究人员可以追踪神经干细胞在胚胎神经系统发育过程中的分化路径，以及它们在特定脑区的空间分布规律，为理解神经系统的发育机制提供全面且精准的数据支持。

（二）在肿瘤研究中的应用

肿瘤是一种高度异质性的疾病，肿瘤细胞在基因组、转录组和蛋白组等方面存在显著差异，且肿瘤微环境中细胞间的空间关系也极为复杂。单细胞多组学与空间组学的联合，有助于深入剖析肿瘤的发生发展机制、精准分型以及制定个性化治疗策略。一方面，单细胞多组学可以揭示肿瘤细胞内不同组学层面的异常变化，如基因突变、基因表达失调、表观遗传修饰改变等，以及肿瘤细胞与免疫细胞、基质细胞等之间的差异；另一方面，空间组学能够展示肿瘤细胞及其微环境细胞的空间分布，明确肿瘤浸润淋巴细胞的空间位置与肿瘤细胞的相互作用关系，为肿瘤免疫治疗靶点的选择和疗效预测提供关键信息。例如，通过联合分析单细胞转录组和空间转录组数据，可以识别肿瘤组织中具有免疫逃逸特性的肿瘤细胞亚群及其所处的空间微环境，为开发针对性的免疫治疗方案提供依据。

五、挑战与展望

（一）技术层面的挑战

尽管单细胞多组学及空间组学技术取得了显著进展，但仍面临诸多技术难题。在单细胞多组学方面，如何进一步提高不同组学数据的检测灵敏度和准确性，降低实验误差和批次效应，实现更高效、更全面的单细胞多组学分析，是亟待解决的问题。此外，如何简化实验流程、降低成本，以促进这些技术在更广泛科研领域和临床实践中的应用，也是需要努力的方向。对于空间组学而言，目前空间分辨率和检测通量之间还存在一定矛盾，如何在提高空间分辨率的同时，实现更高通量的分子检测，以及如何更好地整合不同空间组学技术的数据，构建全面、准确的组织空间分子图谱，是当前研究的重点和难点。

（二）数据分析与解读的挑战

随着单细胞多组学及空间组学技术产生的数据量呈指数级增长，如何对这些复杂、高维的数据进行有效的分析和解读成为巨大挑战。现有的数据分析方法在处理多组学数据整合、空间信息挖掘以及生物学意义阐释等方面仍存在不足。开发新的算法和分析工具，实现多组学数据的深度融合和空间信息的精准解析，从而从海量数据中提取有生物学价值的信息，是推动这两项技术进一步发展和应用的关键。此外，如何建立标准化的数据处理流程和质量控制体系，确保数据的可靠性和可比性，也是当前数据分析领域需要解决的重要问题。

（三）未来展望

尽管面临诸多挑战，但单细胞多组学及空间组学技术的发展前景依然广阔。随着技术的不断创新和完善，我们有望实现对单细胞和组织空间分子特征的更全面、更精准解析。在基础研究领域，这两项技术将继续助力我们深入理解生命过程的基本机制，如细胞分化、器官发育、衰老等。在临床应用方面，单细胞多组学及空间组学技术将为疾病的早期诊断、精准治疗和预后评估提供强有力的支持。例如，在肿瘤诊断中，通过对肿瘤组织进行单细胞多组学和空间组学分析，实现肿瘤的精准分型和个性化治疗方案的制定；在神经退行性疾病研究中，利用这些技术揭示病变神经元的分子特征和空间分布，为开发新的治疗靶点和药物提供依据。同时，随着人工智能、大数据等新兴技术与单细胞多组学及空间组学的深度融合，将进一步推动生命科学研究的发展，为解决人类健康问题带来新的机遇和突破。

综上所述，单细胞多组学及空间组学技术作为生命科学领域的前沿技术，为我们深入理解生物系统的奥秘提供了强大工具。尽管目前还面临一些挑战，但随着技术的不断进步和创新，它们必将在基础研究和临床应用等领域发挥更为重要的作用，为推动生命科学的发展和改善人类健康做出巨大贡献。

由广东省重点院校医药信息工程学院讲师讲授，主讲《基因组信息学》，《生物信息学》，《系统生物学》等生物信息专业课程；美国印第安纳大学计算生物与生物信息中心访问学者，南方医科大学基础医学院博士后；研究方向为基因组多组学数据分析，基因组数据分析软件开发及计算流程搭建，发表相关SCI论文11篇。主持广东省单细胞技术与应用重点实验室发放基金一项，广州市基础与应用基础研究专题一项。