浙江大学：《单细胞组学》课程教学课件（讲稿）单细胞分离分选；单细胞悬制备、扩增和测序技术（1/2）

单细胞分离分选；单细胞悬制备、扩增和测序技术

单细胞分离分选； 单细胞悬制备、扩增和测序技术

目录1.单细胞测序2.单细胞悬液制备3.单细胞分离技术4.单细胞扩增和测序技术5.空间组学测序技术

目 录 1.单细胞测序 2.单细胞悬液制备 3.单细胞分离技术 4.单细胞扩增和测序技术 5.空间组学测序技术

细胞是生命活动的基本单位1925.Wilson："一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找答案ChromatinandCondensedChromosomeStructureTelomere在生物学中，细胞是基本的、被细胞膜包围的单位，包SolenoidNuclearChromatinPoreFiber含了生命的基本分子，构成了所有生物体的组成部分。Nucleosomes-的质维能质-Centromere内聘DNA内质网长-Helix软膜维相电推印技根仁桃仁线粒体-Arm表件Histones高尔基体高基线内照网内质网Condensed核接体Figure1ChromosomeO维相贝ERNae叶燥件SEISE中心啦细胞核是细胞的信息中心，是遗传物质DNA储存与复制的场所，也是RNA转录与加工的场所

细胞核是细胞的信息中心，是遗传物质DNA储 存与复制的场所，也是RNA转录与加工的场所。 在生物学中，细胞是基本的、被细胞膜包围的单位，包 含了生命的基本分子，构成了所有生物体的组成部分。 1925. Wilson：“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找答案” 细胞是生命活动的基本单位

脱氧核糖核酸（DNA）脱氧核糖核酸（DNA）是生物细胞内含有的一种大分子核酸，携带有人体所必需的遗传信息，是染色体的组成部分之一。基因组就是指一个细胞中包含的所有的DNA，分布于23对(46条)染色体(Chromosome)上。DNA通过精准的复制，将遗传信息传递给下一代；DNA在复制过程中有概率发生突变，为生物进化提供了分子基础；CellDNAYourbodyisChromosomeGenemade of cellsDNA能转录成RNA，进而翻译成蛋白质，通过蛋白质实现生命的结构和功能引起染色质结构、DNA构象、DNADNA甲基化（DNAmethylation）：DNA化学修饰的一种形式，能够在不改变稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式DNA序列的前提下，改变遗传表现。的改变，从而控制基因表达

脱氧核糖核酸（DNA） 脱氧核糖核酸（DNA）是生物细胞内含有的一种大分子核酸，携带有人体所必需的遗传信息，是染色体 的组成部分之一。 基因组就是指一个细胞中包含的所有的DNA，分布于23对(46条)染色体(Chromosome)上。 ➢ DNA通过精准的复制，将遗传信息传递 给下一代； ➢ DNA在复制过程中有概率发生突变，为 生物进化提供了分子基础； ➢ DNA能转录成RNA，进而翻译成蛋白 质，通过蛋白质实现生命的结构和功能。 DNA甲基化（DNA methylation）： DNA化学修饰的一种形式，能够在不改变 DNA序列的前提下，改变遗传表现。 引起染色质结构、DNA构象、DNA 稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式 的改变，从而控制基因表达

核糖核酸（RNA）》核糖核酸（RNA）是一种存在于生物细胞以及部分病毒、类病毒中的遗传信息载体，是由核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的长链聚合分子。这种聚合分子在基因的编码、解码、调节和表达中具有多种生物学作用。>转录组是特定组织或细胞在某一发育阶段或功能状态下转录出来的所有RNA的总和，主要包括mRNA和非编码RNA(non-codingRNA，ncRNA)，是研究细胞表型和功能的一个重要手段。>遗传信息在精密的调控下通过mRNA从DNA传递到蛋白质。因此，mRNA被认为是DNA与蛋白质之间生物信息传递的一个“桥梁

核糖核酸（RNA） ➢ 核糖核酸（RNA）是一种存在于生物细胞以及部分病毒、类病毒中的遗传信息载体，是由核糖核苷酸 通过磷酸二酯键连接而成的长链聚合分子。这种聚合分子在基因的编码、解码、调节和表达中具有多种 生物学作用。 ➢ 转录组是特定组织或细胞在某一发育阶段或功能状态下转录出来的所有RNA的总和，主要包括mRNA 和非编码RNA(non-coding RNA，ncRNA)，是研究细胞表型和功能的一个重要手段。 ➢ 遗传信息在精密的调控下通过mRNA 从DNA传递到蛋白质。因此，mRNA 被认为是DNA与蛋白质之间生物信息 传递的一个“桥梁

蛋白质蛋白质（protein）是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质。蛋白质组学是指一种基因组所表达的全套蛋白质。蛋白质组研究即在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平、翻译后的修饰、蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上关于疾病发生、细胞代谢等过程的整体认识PrimarySecondaryTertiaryQuaternarystructurestructurestructurestructure构成细胞和生物体结构的重要物质Lys催化细胞内的生理生化反应LysGly运输载体（血红蛋白）GlyLeu传递信息，调节机体的生命活动（胰岛素）VallAla免疫功能（抗体）HisAmino acid residuesαHelixPolypeptide chainAssembledsubunits

蛋白质 ➢ 构成细胞和生物体结构的重要物质 ➢ 催化细胞内的生理生化反应 ➢ 运输载体（血红蛋白） ➢ 传递信息，调节机体的生命活动（胰岛素） ➢ 免疫功能（ 抗体） 蛋白质（protein）是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构 的物质。 蛋白质组学是指一种基因组所表达的全套蛋白质。蛋白质组研究即在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括 蛋白质的表达水平、翻译后的修饰、蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上关于疾病发生、细胞代 谢等过程的整体认识

中心法则分子生物学中心法则DNA是生物遗传的主要物质基础，生复制物机体的遗传信息以密码的形式编码DNA在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。1958年Crick提出了“中心法则”（Centraldogma)，揭示了遗传信息的传递规律。美RNA蛋白质翻译

DNA是生物遗传的主要物质基础，生 物机体的遗传信息以密码的形式编码 在DNA分子上，表现为特定的核苷酸 排列顺序。1958年Crick提出了“中心 法则” (Central dogma)，揭示了遗 传信息的传递规律。 中心法则

单细胞测序技术单细胞测序传统基因测序是指在单个细胞水平上，对基因组转录组等进行测序分析的一项新技术它能够弥补传统高通量测序的局限性揭示细胞间的异质性。VS三平均基因表达单个细胞基因表达

单细胞测序技术 V S 传统基因测序 单细胞测序 是指在单个细胞水平上，对基因组、 转录组等进行测序分析的一项新技术， 它能够弥补传统高通量测序的局限性， 揭示细胞间的异质性。 平均基因表达 单个细胞基因表达

单细胞测序流程IsolateandsequenceTissue (e.g.tumor)individual cellsGene1Cell1相比传统测序，单细胞测序需要先将组织或体液中的细ComparegeneexpressionRead Countsprofilesof singlecells胞群分离成单个细胞，而这Cell1Cell2也恰恰是难点之处。180Gene1saaGene21010506Gene3049220Gene4CellsPrincipalComponent1(http://learn.gencore.bio.nyu.edu)单细胞测序流程主要包括单细胞分离、单细胞捕获、cDNA扩增和文库制备以及测序分析

单细胞测序流程 单细胞测序流程主要包括单细胞分离、单细胞捕获、cDNA扩增和文库制备以及测序分析 相比传统测序，单细胞测序 需要先将组织或体液中的细 胞群分离成单个细胞，而这 也恰恰是难点之处

单细胞悬液的制备》一般建议拿到新鲜样本后直接开展细胞解离，但受限于实验条件等客观因素的限制，获取的临床样本或动物样本无法立即开展解离实验，因此就需要选择合适的离体样本保存策略》保存原则：细胞悬液的高细胞活性、高保真度（细胞状态不发生明显变化）、低背景噪音新鲜样本直接解离新鲜样本在低温（4℃）保存液中保存转运后解离（24-48h）保存或运输样本冻存（采用甘油或二甲基亚砜作为保护剂）甲醛固定细胞解离和圈定采集样本运行单重或细胞多重分析样本速冻抽核

单细胞悬液的制备 ➢ 一般建议拿到新鲜样本后直接开展细胞解离，但受限于实验条件等客观因素的限制，获取的临床样本或动 物样本无法立即开展解离实验，因此就需要选择合适的离体样本保存策略 ➢ 保存原则：细胞悬液的高细胞活性、高保真度（细胞状态不发生明显变化）、低背景噪音 • 新鲜样本直接解离 • 新鲜样本在低温（4℃）保存液 中保存转运后解离（24-48h） • 样本冻存（采用甘油或二甲基 亚砜作为保护剂） • 甲醛固定细胞 • 样本速冻抽核