清华大学生命学院张强锋课题组合作开发单细胞多组学联合分析方法Parallel-seq

细胞是生命的基本单位，人体由30多万亿个功能各异的细胞组成。尽管它们拥有相同的基因组，却因基因表达的差异，在形态、功能和命运上表现出显著多样性。而基因的表达又受染色质可及性等表观遗传机制直接影响——只有染色质处于开放状态，相关基因才有可能被转录并发挥作用。理解这两者在单个细胞内的相互作用，对于揭示正常生理过程和疾病的复杂机制至关重要。

在多种类型的癌症中，肿瘤细胞展现出显著的遗传和表观遗传异质性，而肿瘤微环境中的免疫细胞也因其动态的状态转变和功能多样性，进一步加剧了这种复杂性。然而，现有单细胞多组学技术往往受限于通量、成本、数据质量和复杂组织适用性，难以应用于大规模肿瘤样本分析。

4月21日，清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心/清华-北大生命科学联合中心的张强锋副教授课题组，联合北京301医院第一医学中心胸外科冯长江副主任医师，在《细胞·系统》（Cell Systems）期刊在线发表了题为“在同一单个细胞中联合分析染色质可及性与基因表达揭示癌症特异性调控程序”（Joint analysis of chromatin accessibility and gene expression in the same single cells reveals cancer-specific regulatory programs）的研究论文。

该研究成功开发了一项单细胞多组学测序技术Parallel-seq，能够高通量、低成本地在同一个单细胞中同步测量基因表达（scRNA-seq）和染色质可及性（scATAC-seq）。Parallel-seq巧妙结合了组合条形码标记与微液滴测序技术，实现“微液滴过载”策略，显著提升了单次实验的效率和通量。Parallel-seq的优势在于，一次实验可并行分析数十万乃至百万级细胞，支持多样本的多组学联合分析，有效降低批次效应的影响；获得高质量的基因表达与染色质可及性的单细胞联合数据的同时，其单个细胞成本仅为现有技术（如10xMultiome）的约1/30。这些优势使得Parallel-seq适用于大规模样本的单细胞水平基因表达调控研究。

Parallel-seq结合组合索引与微液滴过载技术，同时测量同一个单细胞中染色质可及性和基因表达

在该研究中，团队将Parallel-seq应用于40例人类肺癌临床样本（包括22例肿瘤组织和18例配对癌旁组织），获得了超过20万个高质量单细胞的联合组学图谱。基于这一大规模数据集，研究取得了多项重要成果。首先，研究全面描绘了肺癌微环境中复杂的细胞组成，联合分析基因表达与染色质可及性，识别出包括免疫细胞、基质细胞和上皮细胞在内的8类主要细胞群体，并细分出14种功能各异的T细胞亚型。该分析不同于传统的基于基因表达的细胞分型，由于综合了染色质可及性信息，可以揭示多种在单一组学层面难以区分、但在联合组学特征下可明确识别的细胞功能状态。比如，研究发现了不同状态的T细胞在表观遗传调控下的多样性，为解析肿瘤免疫应答机制提供了新视角。

同样，由于综合基因表达与染色质可及性信息，Parallel-seq显著增强了对基因组不稳定性特征的解析能力，识别出多种与肺癌进展密切相关的拷贝数变异事件及侵袭性肿瘤细胞亚克隆。研究还在单细胞分辨率下并行分析了染色体外环状DNA（eccDNA）与基因表达，发现携带eccDNA的肿瘤细胞中上皮-间质转化相关转录因子如SOX4显著上调，提示eccDNA可能在肿瘤演进中发挥关键作用。

更重要的是，在同一个单细胞内部获得基因表达与染色质可及性信息，可以帮助构建高分辨率的细胞类型特异性增强子-靶基因互作图谱。研究因此揭示了多种免疫和肿瘤关键基因可能受到特异性增强子的调控，并开发方法识别出多个增强子区域的功能性体细胞突变，其中部分可能通过干扰转录因子结合影响基因表达，提示增强子突变在肿瘤发生与调控失衡中的潜在作用。

Parallel-seq为单细胞水平下系统解析基因表达与染色质状态的调控关系提供了高通量、低成本且具扩展性的新工具。在肺癌样本中的应用展示了其在解析细胞类型、功能状态及其调控网络方面的强大能力，同时揭示了肿瘤亚克隆的遗传变异、免疫细胞的表观异质性，以及潜在功能性增强子突变，凸显了该技术在肿瘤异质性研究和癌症调控机制解析中的独特优势。未来，Parallel-seq有望拓展至更多疾病模型和组织类型，并与空间组学、蛋白质组学等技术深度融合，推动多组学整合分析，为精准医学提供更加系统和高分辨率的解决方案。

清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心张强锋副教授和北京301医院第一医学中心胸外科冯长江副主任医师为共同通讯作者，清华大学生命科学学院博士后唐磊、博士后张劲松和2017级博士生邵燕秋为共同第一作者。2015级博士生魏逸凡（已毕业）、博士后李雨哲和博士后田康为论文工作作出了重要贡献。研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京生物结构前沿研究中心、清华-北大生命科学联合中心等多方资助支持，清华大学膜生物学国家重点实验室和高通量筛选平台药物技术中心提供了技术支持。

论文链接：

www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(25)00099-7

供稿：生命学院

编辑：李华山

审核：周襄楠