单细胞测序技术的发展，让人们对生物系统的理解达到了单细胞水平，极大地推动了生命科学和医学研究的进步。单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）能揭示组织中不同的细胞类型和状态，但仅依靠转录组学往往难以区分分子相似但功能不同的细胞类别。多模态单细胞测序技术能从同一细胞获取多种互补信息，对深入了解细胞功能至关重要。然而，目前多数多模态单细胞测序方法价格昂贵、通量较低，无法满足科研需求。为了打破这些局限，中国国家生物信息中心、北京基因组研究所等机构的研究人员展开了深入研究 ，开发出 UDA-seq 技术，相关成果发表在《Nature Methods》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。样本方面，使用了来自不同疾病患者和健康对照的多种临床样本，如肾脏活检样本、外周血单个核细胞（PBMCs）等。在实验技术上，主要采用了液滴微流控技术与组合索引相结合的方法，通过两轮组合索引对细胞进行标记；利用生物信息学分析方法，如 Seurat、ArchR 等软件进行数据处理和分析，以挖掘数据中的生物学信息。
在 UDA-seq 的理论与设计部分，研究人员提出了一种新颖的两轮组合索引实验流程。首先，将大量细胞或细胞核固定、透化后，用标准微流控装置进行封装，在过载的液滴中对目标转录本和 DNA 进行第一轮标记。然后，打破液滴释放细胞或细胞核，将其随机混合并分装到 96/384 孔 PCR 板中进行第二轮索引。经过测序，通过液滴和孔特异性条形码的组合，实现对同一单细胞目标核酸片段的唯一识别。
UDA-seq 的验证实验中，研究人员进行了物种混合实验。在 3′-RNA UDA-seq 实验中，混合人类 Hela 和小鼠 NIH 3T3 细胞系，成功获得大量高质量单细胞转录组，碰撞率极低。在 Multiome UDA-seq 实验中，对人源和鼠源的细胞核进行实验，同样有效区分了不同物种的细胞核，验证了 UDA-seq 生成唯一条形码细胞的能力。
评估 UDA-seq 性能和可扩展性时，研究人员将其应用于多种原发性组织和临床样本。在 Multiome（RNA 和 ATAC）UDA-seq 实验中，对冷冻细胞系和多种癌症、肾脏活检等临床样本进行检测，发现 UDA-seq 获得的数据质量与标准 10x Multiome 程序相当。在 PBMCs 的单细胞 5′-RNA 和 VDJ UDA-seq 实验中，也得到了可靠的数据结果。通过升级试剂和仪器，UDA-seq 的细胞回收率提高，能识别出更多细胞状态，包括一些罕见细胞群体。
在肾脏冷冻活检的 Multiome UDA-seq 分析中，研究人员收集了 35 例冷冻人类肾脏样本，包括健康供体和多种肾脏疾病患者的样本。通过 UDA-seq 分析，获得了大量高质量的单细胞数据，识别出多种细胞类型，并通过整合分析揭示了细胞聚类的精细模式，还确定了染色质可及性与靶基因表达之间的强相关性。
研究人员还利用 UDA-seq 对与大量蛋白尿和肾功能损伤相关的关键细胞和调节因子进行了分析。在蛋白尿研究中，通过修改算法 Scissor，发现足细胞（POD）与蛋白尿密切相关。对 POD 细胞进行亚群分析，确定了与蛋白尿相关的关键亚群，并揭示了其分子机制和调节网络。在肾功能损伤研究中，发现内皮细胞是受影响最大的细胞类型，对其进行亚群分析，确定了与免疫和代谢相关损伤的特定亚群，并构建了基因调控网络。
在对人类衰老队列的 RNA 和 VDJ UDA-seq 研究中，研究人员对 38 名女性捐赠者的 PBMCs 进行实验。通过分析，确定了与衰老相关的细胞类型，如自然杀伤（NK）细胞、CD8+T 效应记忆（TEM）细胞等。对 CD4+幼稚细胞进行亚群分析，发现了与衰老相关的特定亚群，并重新定义为 ITGB1+PREX1+CD4+幼稚细胞。此外，还分析了衰老与适应性免疫的关系，发现年龄显著影响 TCR 克隆型多样性。
UDA-seq 还用于分析 CRISPR 介导的扰动。研究人员对人胃癌 SNU16 细胞系进行 CRISPR 筛选实验，通过 UDA-seq 分析，验证了 CRISPR 干扰的成功，并发现 SNU16 细胞存在两个不同的群体，不同的 Bromodomain 家族基因对 SNU16 细胞的 MYC 通路有不同影响。
UDA-seq 是一种具有通用性、经济性和可靠性的单细胞多模态测序方法。它通过独特的设计，实现了通量的大幅提升和成本的显著降低，在多种临床样本的研究中展现出强大的能力，能够识别罕见细胞亚群，揭示细胞间的相互作用和分子机制。这一技术为大规模单细胞研究、疾病机制探索、药物研发等提供了有力的工具，推动了单细胞技术在生命科学和医学领域的进一步发展，有望为未来的精准医疗带来新的突破和机遇。
生物通微信公众号
