在生命科学领域，单细胞测序的诞生让科研人员得以在单个细胞层面解析基因表达异质性，为揭示细胞异质性、神经细胞多样性、基因表达状态等复杂生物学问题提供了关键工具。然而，传统的单细胞测序难以解析基因如何表达、在何处表达等深层次的问题，而以单细胞转录组为中心的多组学研究，就可以更好的理解基因表达变化与生物体自身状态的关联性，成为解析生命体微观世界的有力工具。
下面为大家介绍一些常见的单细胞多组学研究思路及相应的文章案例，供大家学习。
单细胞转录组bulk+bulk转录组
Bulk转录组可提供组织或群体细胞的平均基因表达数据，适合大样本差异分析与通路富集，但会掩盖细胞间异质性；单细胞转录组能解析单个细胞的转录谱，识别稀有细胞类型及亚群特异性基因，却受限于样本通量与成本。二者结合可实现互补，先用普通转录组筛选关键基因或表型，再以单细胞转录组追溯异质性来源，从而提升研究效率与深度。
案例1：scRNA-seq+bulk RNA-seq揭示了Hmga2通过促进急性视网膜损伤小鼠中Müller胶质细胞命运转变来保护视觉功能
英文题目：Identifying Hmga2 preserving visual function by promoting a shift of Müller glia cell fate in mice with acute retinal injury
发表时间：2024
期刊：Stem Cell Research & Therapy
影响因子：7.1
测序组学：scRNA-seq、bulk RNA-seq
成年哺乳动物视网膜中的Müller神经胶质细胞（MG）在视网膜损伤或变性后，通常会表现出反应性胶质增生，而非重编程为神经元，这一过程是否有助于保护光感受器尚未明确。研究人员借助MG细胞系追踪小鼠，通过腹腔注射碘酸钠（SI）构建视网膜色素变性（RP）模型，经免疫组化染色确定MG胶质化命运决定的关键时间点为SI注射后3天。运用bulk RNA-seq和scRNA-seq测序技术，分析该时间点视网膜和MG的RNA转录变化，筛选出候选调控因子Hmga2。在小鼠RP模型中，通过腺相关病毒（AAV）在MG细胞中特异性过表达Hmga2，发现其可下调胶质细胞相关基因，上调光感受器相关基因，减轻MG胶质化，保留急性视网膜损伤小鼠的视觉功能。该研究揭示了Hmga2在调控MG命运转换中的独特重编程特性，以及对急性损伤视网膜的神经保护作用，为探索表观遗传因子在MG中的重编程能力提供了新方向。
图 急性视网膜损伤后3天视网膜基因表达谱及通路富集分析
图 Müller胶质细胞对急性视网膜损伤的时间顺序反应
案例2（凌恩客户文章）：脯氨酸减轻环丙沙星在环境浓度下诱导的抗生素耐药性演变
英文题目：Proline mitigates antibiotic resistance evolution induced by ciprofloxacin at environmental concentrations
发表时间：2025
期刊：Journal of Hazardous Materials
影响因子：12.2
测序组学：细菌完成图、原核转录组、单细胞转录组、二代16S、宏基因组
DOI：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.137561
文章解读：细菌单细胞转录组——助力揭示脯氨酸减缓抗生素耐药性进化的关键机制
本研究发现通过脯氨酸（Proline）的添加减少了环丙沙星耐药亚群的规模。暴露于环丙沙星与脯氨酸的样本中cluster 3细胞比例显著升高，而cluster 4和cluster 6细胞比例降低。深入研究这些cluster中的基因表达情况后发现，cluster 4和cluster 6富含与脂肪酸生物合成、细菌运动性、DNA复制、毒力和细胞生长死亡等相关的高表达基因，这些基因通过外排泵、生物膜形成、抗生素靶标过表达、粘附和细胞分裂等机制使细菌产生耐药性。这一结果清晰地展示了脯氨酸能够减少环丙沙星耐药亚群的规模，从而有效抑制整体耐药性发展。
图 scRNA-Seq分析揭示了CIP耐药性进化的种群内异质性
单细胞转录组+代谢组
代谢组可检测细胞内代谢物种类与丰度，直接反映细胞功能状态及代谢通路活性，但难以关联代谢变化的上游基因调控；单细胞转录组能捕获单个细胞的基因表达谱，揭示代谢相关基因的转录动态，却无法直接体现代谢产物的实际变化。二者结合可打通“基因表达-酶促反应-代谢表型”的因果链条，在单细胞水平解析代谢的分子基础与功能输出。
案例3：单细胞转录组+代谢组+16S联合探究肠道微生物群诱导肿瘤免疫逃逸机制
英文题目：The IRG1–itaconate axis protects from cholesterol-induced inflammation and atherosclerosis
发表时间：2024
期刊：PNAS
影响因子：11.1
测序组学：scRNA-seq、代谢组、16S
DOI：10.1073/pnas.2400675121
通过单细胞测序分析发现，与健康血管组织相比，免疫响应基因（IRG1）在人类冠状动脉粥样硬化斑块中显著上调。在人类和小鼠的动脉粥样硬化病变中，IRG1的表达在骨髓细胞中特别显著，包括单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞。然而，随着动脉粥样硬化的进展，IRG1的表达减少，这表明其与疾病分期存在时间相关性。通过靶向代谢组检测了小鼠骨髓来源巨噬细胞中衣康酸的绝对含量，与表达趋势一致。总之这项研究阐明了IRG1–衣康酸轴在对抗胆固醇诱导的炎症和动脉粥样硬化中的关键作用，解决动脉粥样硬化性心血管疾病慢性炎症的创新治疗方法奠定了基础。
图 衣康酸衍生物可缓解CVD血浆相关炎症
单细胞转录组+单细胞ATAC
单细胞ATAC可检测染色质开放区域，定位转录因子结合位点及调控元件，反映表观遗传调控网络，但无法直接获取基因表达水平；单细胞转录组能测定单个细胞的基因转录活性，揭示细胞功能状态，却难以追溯基因表达的上游调控机制。二者结合可从“表观开放”到“转录激活”双向验证，精准定位调控元件与靶基因的动态关联，实现“调控机制-表达结果”的完整解析。
案例4：髓母细胞瘤局部复发和远处扩散的高细胞可塑性状态
英文题目：High cellular plasticity state of medulloblastoma local recurrence and distant dissemination
发表时间：2025
期刊：Cell Reports Medicine
影响因子：11.7
测序组学：scRNA-seq、snATAC-seq，10X Visium，Stereo-seq
DOI：10.1016/j.xcrm.2024.101914
本研究通过整合单细胞/单细胞核RNA测序（sc/snRNA-seq）、单核染色质可及性测序（snATAC-seq）、空间转录组学（10x Visium 及华大Stereo-seq）等多组学技术，首次在单细胞分辨率下揭示髓母细胞瘤（MB）复发及扩散过程中“高细胞可塑性（HCP）状态”的关键作用。研究发现HCP细胞兼具增殖活性与表观遗传可塑性，其标记基因PTPRZ1通过驱动染色质开放和信号通路激活促进肿瘤进展。通过PDX模型验证，靶向抑制PTPRZ1可显著抑制肿瘤生长与转移，为MB复发的精准治疗提供了新靶点。
图 原发性和复发性的单细胞RNA测序
单细胞转录组+空间转录组
空间转录组可以捕获基因表达量、组织形态、空间位置和距离的数据信息，但分辨率达不到单细胞级别；单细胞转录组可以同时测定单个细胞内数千个基因的表达水平，从而描述每个细胞的转录谱，为生物学研究提供单细胞视野，但缺少细胞的空间位置信息。二者结合可完美互补。
案例5：整个小鼠大脑单细胞空间转录组图谱的构建
英文题目：Single-cell spatial transcriptomic atlas of the whole mouse brain
发表时间：2025
期刊：Neuron
影响因子：14.7
测序组学：C4 snRNA-seq、华大Stereo-Seq
DOI：10.1016/j.neuron.2025.02.015
哺乳动物全脑范围内基因与细胞类型的空间分布综合图谱是解析大脑功能的重要基础。在本研究中，研究人员借助单细胞核RNA测序（snRNA-seq）与空间转录组技术（Stereo-seq）相结合的方法，成功构建了具有单细胞分辨率的小鼠全脑空间转录组图谱。该图谱涵盖了308个细胞类群，包含超过400万个细胞，以及29,655个基因的空间表达信息，为深入研究大脑的结构和功能提供了丰富的数据支持。
基于空间转录组信息，研究人员提出了一种脑区精细分区的策略，通过该策略成功解析了多个脑区的微观组织结构，为更深入地理解大脑的解剖结构提供了分子层面的依据。此外，还发现411个转录因子调控网络在神经发育过程中表现出时空动态变化的特征，这些调控网络可能在大脑的发育和功能调控中起着至关重要的作用。
这项研究首次实现了全基因组覆盖的小鼠全脑单细胞空间转录组图谱的构建，为脑科学研究提供了一个高精度的分子参考框架,不仅有助于深入解析大脑的结构和功能，还为研究脑相关疾病的发病机制和寻找潜在的治疗靶点提供了丰富的资源和新的思路。
图 成年小鼠大脑空间基因表达谱
图 发育小鼠大脑空间转录谱
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参考文献：
[1] Identifying Hmga2 preserving visual function by promoting a shift of Müller glia cell fate in mice with acute retinal injury.Stem Cell Research & Therapy,2024
[2] Proline mitigates antibiotic resistance evolution induced by ciprofloxacin at environmental concentrations.Journal of Hazardous Materials,2025
[3] The IRG1-itaconate axis protects from cholesterol-induced inflammation and atherosclerosis.PNAS,2024
[4] High cellular plasticity state of medulloblastoma local recurrence and distant dissemination.Cell Reports Medicine,2025
[5] Single-cell spatial transcriptomic atlas of the whole mouse brain.Neuron,2025
