2013年，我們將“單細胞測序”選為“年度技術”，以突出這項技術可以對單個細胞進行DNA和RNA測序，進而讓科學家能夠推斷不同細胞的生物學差異。自那以后，單細胞測序飛速發(fā)展，擴大了我們對細胞異質性及其對細胞功能的影響的認識。測序技術的日益強大，提升了我們剖析細胞的不同層面的能力，包括細胞的基因組、轉錄組和表觀基因組，以及這些“組”的空間組織。

近來，單細胞領域的技術進步推動了多模態(tài)組學測量的發(fā)展。這里的多模態(tài)組學測量是指在一個實驗中同步測量多個模態(tài)（即開展多模態(tài)研究），或是整合多個實驗的不同組學數(shù)據集。鑒于單細胞多模態(tài)組學對于揭示細胞功能、發(fā)現(xiàn)組間（across -omes）關系、記錄動態(tài)生物活動具有非常重要的影響，我們將其選為“2019年度技術”（Method of the Year 2019）。

單細胞技術的發(fā)展方向一開始主要集中在單細胞RNA測序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq）。將這種測序技術應用在特定的復雜組織中，能夠剖析轉錄組異質性，揭示此前未知的細胞類型或細胞狀態(tài)。研究人員很快意識到，將單細胞RNA測序與另一種生物分子表征方法相結合，如蛋白譜分析，就能產生1 1>2的效果，提供更多信息。比如，在測序前進行非破壞性分析（如細胞計數(shù)法），能將表面蛋白表達水平與細胞轉錄組聯(lián)系起來，實現(xiàn)對RNA和蛋白水平的聯(lián)合分析。又比如，利用物理分離的細胞組分，可以平行測量胞漿mRNA和細胞核基因組，通過將相同細胞的轉錄組與基因組聯(lián)系起來，實現(xiàn)細胞基因分型。

最近，多模態(tài)測量的影響力不斷擴展，超越了以轉錄組為中心的觀點。例如，一項最新研究將原位Hi-C與全基因組重亞硫酸鹽測序相結合，在單細胞內同步進行染色體構象和DNA甲基化譜分析，顯示出針對細胞類型特異性多模態(tài)測量的分析能力正在逐步增強（Nat. Methods 16, 991–993, 2019）。

當然，這些成績不是一蹴而就的，無論是實驗設計還是數(shù)據分析，都要克服諸多挑戰(zhàn)。實驗測量的單細胞多模態(tài)組學數(shù)據一直很稀缺，且噪聲大。生物化學和分子檢測也需要進一步發(fā)展，讓靈敏度、特異性和穩(wěn)健性更上一個臺階。高通量檢測作為一種可擴展的技術，能在一個實驗中同時處理幾千到幾百萬個細胞，但這種技術依然局限于特定的組學測量。

在本期《自然-方法》發(fā)表的一篇“評論”文章中，任兵等人探討了多模態(tài)測量的最新實驗進展，如可以一次分析一個細胞；通過液滴平臺或組合DNA條形碼系統(tǒng)實現(xiàn)高通量的讀出。

單細胞多模態(tài)分析技術還以前所未有的方式，為高級統(tǒng)計與計算方法的發(fā)展打開了一扇新大門。一個關鍵問題是，如何開展跨模態(tài)整合并利用多模態(tài)測量獲得的數(shù)據進行模擬。由于不同類型的數(shù)據擁有不同的統(tǒng)計、技術和生物特征，我們需要精深有效的統(tǒng)計與計算方法，才能在控制混雜因素（如不同來源導致的批次效應等）的同時，實現(xiàn)全面整合。此外，這類數(shù)據還能催生強大的算法，在純粹的細胞鑒定之余，獲得更深刻的認識，比如分析發(fā)育系統(tǒng)的調節(jié)網絡。

Sarah Teichmann和Mirjana Efremova的另一篇“評論”文章對這些激動人心的領域做了概述和展望。

從不止一個細胞模態(tài)中收集數(shù)據，有助于解決之前存在挑戰(zhàn)的生物學問題。比如，同步測量基因表達和細胞表面蛋白，使研究人員可以進一步了解存在微小轉錄組學差異的細胞亞群。將染色質結構的光學重建（optical reconstruction of chromatin architecture，ORCA）與多重RNA標記結合，就能使單細胞內的DNA折疊和基因表達可視化，從而對果蠅胚胎進行三維染色質重塑（Nature 568, 49–54, 2019）。不僅如此，測序工具與CRISPR編輯聯(lián)用，有望實現(xiàn)發(fā)育系統(tǒng)內的單細胞系追蹤。

Alexander Schier的“評論”文章則站在生物學家的角度，細數(shù)細胞表型和基因型多模態(tài)測量釋放的各種應用潛力，比如可以將CRISPR篩選中的突變與轉錄組聯(lián)系起來。

本期《自然-方法》還發(fā)表了一篇“新聞特寫”，調查了各個實驗室為將單細胞多模態(tài)組學分析應用到實際研究中，所做的不懈努力。

此外，隆重推出我們的“技術關注”單元（Methods to Watch）：集中展現(xiàn)我們認為有潛力解決生物學難題的方法和領域。

希望您喜歡我們的2019年度技術特刊。祝您2020年一切順利！

原文以Method of the Year 2019: Single-cell multimodal omics為標題發(fā)表在2020年1月06日的社論上