單細胞組學方法的研究

A. 基因組學研究方法

基因組學（英文genomics），研究生物基因組和如何利用基因的一門學問。用於概括涉及基因作圖、測序和整個基因組功能分析的遺傳學分支。該學科提供基因組信息以及相關數據系統利用，試圖解決生物，醫學，和工業領域的重大問題
基因組研究應該包括兩方面的內容：以全基因組測序為目標的結構基因組學（structural genomics）和以基因功能鑒定為目標的功能基因組學（functional genomics)，又被稱為後基因組（postgenome）研究，成為系統生物學的重要方法。
基因組學能為一些疾病提供新的診斷，治療方法。例如，對剛診斷為乳腺癌的女性，一個名為「Oncotype DX」的基因組測試，能用來評估病人乳腺癌復發的個體危險率以及化療效果，這有助於醫生獲得更多的治療信息並進行個性化醫療。基因組學還被用於食品與農業部門。
基因組學的主要工具和方法包括： 生物信息學，遺傳分析，基因表達測量和基因功能鑒定。
基因組學出現於1980年代，1990年代隨著幾個物種基因組計劃的啟動，基因組學取得長足發展。 相關領域是遺傳學，其研究基因以及在遺傳中的功能。
1980年，噬菌體Φ-X174;(5,368 鹼基對)完全測序，成為第一個測定的基因組。
1995年，嗜血流感菌（Haemophilus influenzae，1.8Mb）測序完成，是第一個測定的自由生活物種。從這時起，基因組測序工作迅速展開。
2001年，人類基因組計劃公布了人類基因組草圖，為基因組學研究揭開新的一頁。
基因組學是研究生物基因組的組成,組內各基因的精確結構、相互關系及表達調控的科學。基因組學、轉錄組學、蛋白質組學與代謝組學等一同構成系統生物學的組學（omics）生物技術基礎。
基因組研究應該包括兩方面的內容：以全基因組測序為目標的結構基因組學（structural genomics）和以基因功能鑒定為目標的功能基因組學（functional genomics)，又被稱為後基因組（postgenome）研究，成為系統生物學的重要方法。
基因組DNA測序是人類對自身基因組認識的第一步。隨著測序的完成，功能基因組學研究成為研究的主流，它從基因組信息與外界環境相互作用的高度，闡明基因組的功能。功能基因組學的研究內容：人類基因組 DNA 序列變異性研究、基因組表達調控的研究、模式生物體的研究和生物信息學的研究等。
(1)基因組表達及調控的研究。在全細胞的水平，識別所有基因組表達產物mRNA和蛋白質，以及兩者的相互作用，闡明基因組表達在發育過程和不同環境壓力下的時、空的整體調控網路。
(2)人類基因信息的識別和鑒定。要提取基因組功能信息，識別和鑒定基因序列是必不可少的基礎工作。基因識別需採用生物信息學、計算生物學技術和生物學實驗手段，並將理論方法和實驗結合起來。基於理論的方法主要從已經掌握的大量核酸序列數據入手，發展序列比較、基因組比較及基因預測理論方法。識別基因的生物學手段主要基於以下的原理和思路：根據可表達序列標簽(STS)；對染色體特異性cosmid進行直接的cDNA選擇；根據CpG島；差異顯示及相關原理；外顯子捕獲及相關原理；基因晶元技術；基因組掃描；突變檢測體系，等等。
（3）基因功能信息的提取和鑒定。包括：人類基因突變體的系統鑒定；基因表達譜的繪制；「基因改變-功能改變」的鑒定；蛋白質水平、修飾狀態和相互作用的檢測。
（4）在測序和基因多樣性分析。人類基因組計劃得到的基因組序列雖然具有代表性，但是每個人的基因組並非完全一樣，基因組序列存在著差異。基因組的差異反映在表型上就形成個體的差異，如黑人與白人的差異，高個與矮個的差異，健康人與遺傳病人的差異，等等。出現最多基因多態性就是單核苷酸多態性(SNPs)。
（5）比較基因組學。將人類基因組與模式生物基因組進行比較，這一方面有助於根據同源性方法分析人類基因的功能，另一方面有助於發現人類和其他生物的本質差異，探索遺傳語言的奧秘 。
結構基因組學是繼人類基因組之後又一個國際性大科學熱點，主要目的是試圖在生物體的整體水平上（如全基因組、全細胞或完整的生物體）測定出（以實驗為主、包括理論預測）全部蛋白質分子、

蛋白質－蛋白質、蛋白質－核酸、蛋白質－多糖、蛋白質－蛋白質－核酸－多糖、蛋白質與其他生物分子復合體的精細三維結構，以獲得一幅完整的、能夠在細胞中定位以及在各種生物學代謝途徑、生理途徑、信號傳導途徑中全部蛋白質在原子水平的三維結構全息圖。在此基礎上，使人們有可能在基因組學、蛋白質組學、分子細胞生物學以致生物體整體水平上理解生命的原理。
對疾病機理的闡明、對疾病的防治有重要應用意義。
發展回顧1998年4月,由美國國家醫學科學院（NIGMS）和Wellcome Trust發起在英國召開了第一次國際結構基因組會議，美國、法國、英國、德國、加拿大、日本、荷蘭、義大利以及以色列的9國科學家參加了會議。2000年9月，美國NIGMS決定首批投入1.5億美元，在美國建設7個研究中心（目前已經發展成為10個），爭取在未來10年內解出1萬個蛋白質的三維結構，建立蛋白質的氨基酸殘基序列、三維結構和生物功能之間的有機聯系，同時也支持結構基因組方法學的研究。2002年，10家大型國際制葯公司宣布啟動結構基因組研究。2000年11月，日本組織召開國際會議討論結構基因組計劃的有關問題，確定了完成測定3000個蛋白質三維結構的「Protein3000計劃」。2001年4月，在美國召開了第二次國際結構基因組會議,表明新一輪大規模的國際合作研究已經開始。主要進展我國在結構生物學研究方面具有較好的基礎。60年代，我國科學家在世界上首次人工合成了胰島素；70年代初又測定出1.8 埃; 解析度的豬胰島素三維結構，成為世界上為數不多的能夠測定生物大分子三維結構的國家，這些研究工作處於當時的世界先進水平。在國際結構基因組研究剛露端倪之時，我國科學家就敏感地抓住了這一新動向，2000年我國開展了結構基因組學的研究。近來，國家863計劃、973計劃、中國科學院知識創新工程、國家重大攻關項目、自然科學基金先後重點資助了結構基因組學的研究工作和相關技術平台的建設。相關研究工作既有分工、又有交叉合作，並充分地考慮到了我國基因組水平研究的特點和我國在結構解析方法研究在國際上的地位。並計劃在參加國際合作的基礎上，在逐步建立基因組研究技術平台的同時，五年之中完成200－300個蛋白質三維結構的測定。
我國的結構生物學研究隊伍近年來不斷發展壯大，中國科學院生物物理所、中國科技大學、北京大學、清華大學以及中國科學院物理所、高能所、上海生命科學院、福州物質結構所、上海復旦大學等單位均是我國開展結構基因組研究的重要基地。
我國結構基因組學研究雖然啟動時間較短，但已經獲得了不少重要進展。 據初步統計，已經完成了近千個克隆，已表達出210個蛋白質，其中有100多個可溶或部分可溶；獲得近30個結晶和NMR樣品，已經測定出5個結構。

B. 細胞生物學的研究方法

細胞生物學廣泛地利用相鄰學科的成就，在技術方法上是博採眾長，凡是能夠解決問題的都會被使用。例如用分子生物學的方法研究基因的結構，用生物化學、分子生物學的方法研究染色體上的各種非組蛋白和它們對基因活動的調節和控制或者利用免疫學的方法研究細胞骨架的各種蛋白（微管蛋白、微絲蛋白、各種中等纖維蛋白）在細胞中的分布以及在生命活動中的變化。起源於分子遺傳學的重組DNA技術和起源於免疫學的產生單克隆抗體的雜交瘤技術，也成了細胞生物學的有力工具。顯然，一種方法所解決的問題不一定屬於原來建立這一方法的學科。例如用分子生物學的方法解決了核小體的結構，嚴格地說這應是形態學的范疇。這樣的例子並不少見，在這里學科的界限也被抹掉了。也許可以說細胞核移植、微量注射和細胞融合是細胞生物學自身發展起來的方法，但是用這些方法進行的實驗往往也需要其他方法配合來做進一步分析。 細胞生物學與其說是一個學科，倒不如說它是一個領域。這可以從兩個方面來理解：一是它的核心問題的性質──把發育與遺傳在細胞水平結合起來，這就不局限於一個學科的范圍。二是它和許多學科都有交叉，甚至界限難分。例如，就研究材料而言，單細胞的原生動物既是最簡單的動物，也是最復雜的細胞，因為它們集許多功能於一身；尤其是其中的纖毛蟲，不僅對於研究某些問題，例如纖毛和鞭毛的運動，特別有利，關於發育和遺傳的研究也積累了大量有價值的資料。但是這類研究也可以列入原生動物學的范疇。其次，就研究的問題而言，免疫性是細胞的重要功能之一，細胞免疫應屬細胞生物學的范疇，但這也是免疫學的基本問題。
由於廣泛的學科交叉，細胞生物學雖然范圍廣闊，卻不能像有些學科那樣再劃分一些分支學科──如象細胞學那樣，根據從哪個角度研究細胞而分為細胞形態學、細胞化學等。如果要把它的內容再適當地劃分，可以首先分為兩個方面：一是研究細胞的各種組分的結構和功能（按具體的研究對象），這應是進一步研究的基礎，把它們羅列出來，例如基因組和基因表達、染色質和染色體、各種細胞器、細胞的表面膜和膜系、細胞骨架、細胞外間質等等。其次是根據研究細胞的哪些生命活動劃分，例如細胞分裂、生長、運動、興奮性、分化、衰老與病變等，研究細胞在這些過程中的變化，產生這些過程的機制等。
當然這僅是人為地劃分，這些方面都不是各自孤立的，而是相互有關連的。從細胞的各個組分講，例如表面膜與細胞外間質有密切關系，表面膜又不是簡單地覆蓋著細胞質的一層膜，而是通過一些細微結構──已經知道其中之一是肌動蛋白分子，這又聯繫到細胞骨架了──與細胞質密切相連。這樣，表面膜才能和細胞內部息息相關。另一方面，從研究的問題出發，研究分裂、分化等生命現象，離不開結構的基礎。例如研究細胞分裂就涉及到染色質怎樣包紮成染色體，染色體的分裂和運動，細胞骨架的變化包括微管蛋白的聚合和解聚，與表面膜有關的分裂溝的形成，還有細胞分裂的調節與控制。再如研究細胞分化除去要了解某種細胞在分化過程中細胞器的變化、它們所特有的結構蛋白質的變化，主要地還要了解導致分化的物質基礎以及這些物質怎樣作用於基因調控的水平，導致有關的基因被激活。可見研究的重點盡管可以人為地劃分，但一定要把細胞作為一個整體看待，一定要把生命過程和細胞組分的結構和功能聯系起來。 既然細胞生物學的主要任務是把發育和遺傳聯系起來，細胞分化這個問題的重要性就不言而喻。因為就整個有機體而言，遺傳特點不僅顯示在長成的個體，而是在整個生命過程不斷地顯示出來。在細胞水平，細胞的分化也就是顯示遺傳特徵的過程，例如鳥類、爬行類的水晶體，其中所含的晶體蛋白是α、β、δ三種，不同於哺乳類，後者含有α、β、γ三種。在鳥類的晶體分化中首先出現大量的δ晶體蛋白，但是在哺乳類晶體分化中卻找不到這種蛋白。可見某種細胞的分化特徵的出現，也就是它們的遺傳特徵的出現。但是這僅是在細胞水平就一種生化性狀（特異的蛋白質）在一種特化細胞中的出現而言，情況當然還比較簡單，如果涉及到一個由多細胞組成的形態學性狀，情況會復雜得多，但是性狀發生的過程仍然是遺傳表現的過程。
像晶體細胞分化這樣的例子，細胞生物學的術語稱之為終末分化，也就是走向成熟的分化，其分化的產物就是這種細胞的終末產物。由於取材方便，產物比較單一易於分析等原因，細胞分化的研究中關於終末分化的研究占很大的比重，研究得比較多的是紅細胞、肌細胞、胰臟細胞、晶體細胞、黑色素細胞、軟骨細胞等。
一個經常被引用的例子是紅細胞中血紅素的轉換。人類胚胎早期的紅細胞中首先出現胚期血紅素，後來逐漸被胎兒期血紅素所代替，胎兒三個月之後，後者又被成體型血紅素所代替。關於這些血紅素已經有很多研究。例如它們各自由那些肽鏈組成，這些肽鏈在個體發育中交互出現的情況，它們各自的氨基酸組成和排列順序，各個肽鏈的基因位點，以至基因的結構都已比較清楚，工作可以說是相當深入了。
但是，追根到底有些問題依然沒有得到明確的解答，甚至沒有解答──這也適用於關於其他細胞的終末分化的研究。例如，為什麼胚期血紅素會在紅細胞而不在其他細胞中出現？為什麼會發生血紅素的轉換？關於前一問題，有人曾分別地從雞的輸卵管細胞（不產生血紅素）和紅細胞（產生血紅素）提取染色質，用酶來切割，觀察到兩種來源的染色質對酶的抵抗力不同。來自紅細胞的易於受到酶的攻擊，推測這可能由於核小體的構型不同。紅細胞中含有珠蛋白基因段落的核小體構型較鬆弛，因而易於受到影響；構型較鬆弛也就為RNA聚合酶在上面轉錄產生信使RNA提供了條件。但是如果追問下去，為什麼單單在紅細胞里核小體的構型比較鬆弛？RNA聚合酶怎樣識別出這樣的段落？這些問題還需進一步研究。其次，關於胚期血紅素向胎兒期血紅素的轉換。用兩種熒光染料標記兩種免疫抗體，觀察到在同一紅細胞中有兩種血紅素的存在，說明轉換不是由於出現不同的細胞，而是由於同一細胞相繼地產生了不同的血紅素。是什麼原因使得血細胞停止生產原有的而產生出新的血紅素？也許可以說是發育的「程序」，但還要回答發育程序得以實現的物質基礎是什麼。所有這些問題的解答，將使我們對基因選擇性表達的認識有極大的邁進。 實現了終末分化的細胞，已經失去了轉變為其他細胞類型的潛能，只能向一個方面分化。例如紅細胞，雖然發生血紅素的轉換，但不能轉變為其他類型的正常細胞，與胚胎細胞相比，它們的情況要簡單些，因為胚胎細胞在尚未獲得決定的時候是具有廣泛潛能的。拿中胚層細胞來說，它們既可以分化為肌細胞，也可以分化為前腎細胞、血細胞、間質細胞等。已經初步知道，外界因素可以影響中胚層細胞向肌細胞或紅細胞的方向分化，但是這因素是什麼，怎樣作用，都一無所知。在這里，首先要使中胚層細胞向某一方向分化，然後那一方向（例如紅細胞）所特有的一套終末分化的步驟才得以進行下去。形象化地說，中胚層細胞中似乎存在著向不同方向分化的開關，打開某一個開關（例如紅細胞的），才能進行那一方向的分化，這當然比終末分化更復雜些，對此還一無所知。

C. 植物單細胞能再生，再生機制是什麼樣的該如何研究

植物單細胞能再生，再生機制是什麼樣的？該如何研究？

中國科學院遺傳與發育生物學研究所焦雨鈴研究組與中國科學院大學生命科學學院汪穎研究組協作，發覺WUS與DRN是2個擬南芥葉肉細胞再生所必要的轉錄因子，並能推動再生。

在這個基礎上，該研究明確提出了單細胞再生的「轉錄組挑選 」實體模型：原生質體化時的遺傳基因任意表述在單細胞水準造就了演變的基本，塑造標准挑選 出可以再生的基因的表達組成。這一研究為綠色植物單細胞再生體制給予了新理念。該體制很有可能在哺乳類動物多能幹細胞的誘發中充分發揮，並為小動物細胞再生研究給予參考。

以上就是我的詳細介紹，希望看完對大家有所幫助。大家還有別的意見，可以在下方留言區一起討論。

D. 單細胞的培養方法有哪些

單細胞培養常見模型： ①在培養碟中原位單細胞微吸吮捕獲、沉積分選培養模型傳統的熒光活化細胞分選方法（FACS）採用流式細胞術用來分選細胞，是分子基礎分選中普遍使用的方法。這種方法只能檢測具有熒光活性的細胞，不但細胞存活率低、純度低，而且極易破壞細胞組織。微吸吮單細胞分選培養模型是與倒置顯微鏡配合使用的，用於細胞篩選、提取、沉積的。 ◇ 可直接從培養皿中進行細胞分選 ◇ 分離粘結活細胞的細胞亞群，分離熒光或者冷游標記 ◇ 無標記的和熒光的細胞都可通過軟體進行自動識別 ◇ 可確保細胞分離後活力，並且可培養 ◇ 分選熒光分子探針標記的特定細胞 ◇ 單細胞收集進行進一步培養、克隆，RNA 或者蛋白質制備 ◇ 免疫制備，進行目標細胞分類 ◇ 可對各種粘結細胞進行分類 ◇ 細胞篩選前的細胞培養 ◇ 一般的分選過程只需幾分鍾就可完成 ◇ 使用安裝在顯微鏡上的熒光濾片可實現多通道監測 ◇ 分選速度為1Cell/秒每一個循環可篩選1~1000個細胞 ②單細胞培養分析跟蹤板模型 ③使用把顯微鏡升級改造為納米激光鑷捕獲操縱單細胞模型這種模型很簡單，在已有顯微鏡上加上納米激光器或晶元就可以了 ④使用活態單細胞激光拉曼光譜無損測定鑒別模型活態單細胞激光拉曼光譜無損測定鑒別模式可在無任何標記情況下對活細胞進行三維掃描測定其分子分布，更具優越性。活態單細胞激光拉曼光譜無損測定鑒別模式為醫師，葯師和生物學家提供了利用拉曼光譜的便利的方式，不僅可以識別各種基團，還可以對化合物進行高精確度分析，且對活細胞不需要使用生化標記物，熒游標記物或者抗體，對活細胞絕對安全。

E. 單細胞培養的方法有哪些各有什麼特點

1.轉瓶培養
這個比較老的工藝，在逐步淘汰，不過投資少，技術含量低，人員經少量培訓就可以操作。
2.懸浮培養
非貼壁依賴性細胞的一種培養方式。
細胞懸浮於培養基中生長或維持。某些貼壁依賴性細胞經過適應和選擇也可用此方法培養。增加懸浮培養規模相對比較簡單，只要增加體積就可以子。深度超過5mm，需要攪動培養基，超過10cm，還需要深層通入CO2和空氣，以保證足夠的氣體交換。
通過振盪或轉動裝置使細胞始終處於分散懸浮於培養液內的培養方法。
利用固體瓊脂培養基對植物的離體組織進行培養的方法在植物遺傳實驗中已經得到廣泛的應用。但這種方法在某些方面還存在一些缺點，比如在培養過程中，植物的愈傷組織在生長過程中的營養成分、植物組織產生的代謝物質呈現一個梯度分布，而且瓊脂本身也有一些不明的物質成分可能對培養物產生影響，從而導致植物組織生長發育過程中代謝的改變而利用液體培養基則可以克服這一缺點，當植物的組織在液體培養基中生長時，我們可以通過薄層震盪培養或向培養基中通氣用以改善培養基中氧氣的供應。植物細胞的懸浮培養是指將植物細胞或較小的細胞團懸浮在液體培養基中進行培養，在培養過程中能夠保持良好的分散狀態。這些小的細胞聚合體通常來自植物的愈傷組織。
一般的操作過程是把未分化的愈傷組織轉移到液體培養基中進行培養。在培養過程中不斷進行旋轉震盪，一般可用100～120 r/min 的速度進行。由於液體培養基的旋轉和震盪，使得愈傷組織上分裂的細胞不斷游離下來。在液體培養基中的培養物是混雜的，既有游離的單個細胞，也有較大的細胞團塊，還有接種物的死細胞殘渣。
在液體懸浮培養過程中應注意及時進行細胞繼代培養，因為當培養物生長到一定時期將進入分裂的靜止期。對於多數懸浮培養物來說，細胞在培養到第18～25d 時達到最大的密度，此時應進行第一次繼代培養。在繼代培養時，應將較大的細胞團塊和接種物殘渣除去。若從植物器官或組織開始建立細胞懸浮培養體系，就包括愈傷組織的誘導、繼代培養、單細胞分離和懸浮培養。目前這項技術已經廣泛應用於細胞的形態、生理、遺傳、凋亡等研究工作，特別是為基因工程在植物細胞水平上的操作提供了理想的材料和途徑。經過轉化的植物細胞再經過誘導分化形成植株，即可獲得攜帶有目標基因的個體。

F. 專家經驗談：如何開展單細胞qPCR分析（三）

如今，單細胞基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學研究不再是遙不可及。利用新興的微流體方法和分子生物學技術，研究人員逐漸能從群體噪音中提取單細胞信號。《Genome
Technology》雜志請來了一些專家，來分享他們在單細胞qPCR分析上的經驗。通過一問一答的形式，希望能為您的研究帶來一點啟發。??專家經驗談：如何開展單細胞qPCR分析（二）??專家經驗談：如何開展單細胞qPCR分析（一）Q5：您如何定量單細胞qPCR結果？Mikael
Kubista（TATAA生物中心）
單細胞表達譜數據的分析包括三個步驟：normalization、scaling和clustering。用參考基因的表達來均一化（normalization）不適用於單細胞，因為基因表達存在大的、不相關的變化。我們在原先的文章中展示了這一點，自那以後，幾乎所有的基因和細胞都證明了這一點，除了mRNA代謝不活躍的細胞（如卵母細胞）外。更好的做法是均一化每個細胞的表達，也就是直接比較測得的量。這是最直觀的。當然，這種方法不能說明樣品處理過程中的損失，但我們發現那通常可忽略不計。如果您擔心樣品處理，那麼上面提到的RNA加標可用於測定產量和重復性。對於表達譜分析，數據可以多種方法進行分析。數據可能是unscaled、mean-centered或
autoscaled。Mean
centering（減去平均值）和autoscaling（減去平均值並除以標准偏差）可平衡分析中標志物的權重。對於單細胞，我們有時候也覺得
Mean
centering和autoscaling很有用。Anders
St??hlberg（哥德堡大學）
如果避免了預擴增，數據可轉換成絕對的cDNA數量，否則數據分析可以Cq值來開展，因為每個細胞的轉錄本水平呈對數正態分布。一開始，可以各種方法對數據作圖，此外，基本的統計分析也應開展（如陽性細胞的數量、平均值和偏差）。細胞數量測定通常是以驗證過的參考基因來均一化的。這種策略在單細胞分析中應避免，因為單個細胞中的所有轉錄本水平隨時間變化。我們發現，校正分析和無監督演算法（如Kohonen
self-organizing
maps）對定義亞群和基因網路很有用。Finn-Arne
Weltzien（挪威獸醫學院）
我們在利用單細胞qPCR進行定量測定時很小心。我們通常只進行定性分析。如果我們定量，我們會利用目的基因的拷貝數相對參考基因的拷貝數。Weiwen
Zhang（亞利桑那州立大學，現在天津大學）
對於每個單細胞，我們對目的基因和參考基因進行qPCR分析，如原核生物的16s
rRNA和真核生物的28s或actin。不過，我們也注意到，這些常用參考基因的表達水平在單細胞中也差別很大，對大量細胞qPCR的標準定量法則也須特別謹慎。在大部分情況下，我們報告原始和均一化的Ct值，並使用它們進行單細胞qPCR結果的定量。Q6：您分析時使用哪些生物信息學工具？Mikael
Kubista（TATAA生物中心）
我們採用
GenEx進行單細胞分析。事實上，我們在所有qPCR數據分析中使用GenEx。GenEx強大、用戶友好，且支持所有領先的qPCR儀器，這讓從實驗中導入數據和注釋很簡單。GenEx有著卓越的數據質量評估，對單細胞研究很重要，以及強大的單細胞表達譜工具。它有著用戶友好的界面，即使是沒有經驗的用戶也能使用那些強大的工具。Anders
St??hlberg（哥德堡大學）
我使用GenEx和SPSS開展數據分析。Weiwen
Zhang（亞利桑那州立大學，現在天津大學）
對於幾十個基因的分析，我們採用ANOVA
student
t-test或其他簡單的統計學工具。

G. 單細胞測序這樣的高通量技術的優勢具體體現在哪裡

單細胞全基因組測序主要應用於腫瘤發生機制及胚胎發育研究。單細胞轉錄組分析可以在全基因組范圍內挖掘基因調節網路，尤其適用於存在高度異質性的幹細胞及胚胎發育早期的細胞群體。
2017年6月16日，北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬課題組在《Cell Research》雜志在線發表了題為「Single-cell multi-omics sequencing of mouse early embryos and embryonic stem cells」的研究論文。在國際上率先發展了對一個單細胞同時進行染色質狀態、DNA甲基化、基因組拷貝數變異、以及染色體倍性的全基因組測序技術（single-cell COOL-seq），並採用這一技術在單細胞解析度上系統、深入地解析了小鼠著床前胚胎發育過程中表觀基因組重編程的關鍵特徵，以及染色質狀態與DNA甲基化之間的互動關系。
現有的基於高通量測序來分析全基因組染色質狀態的研究方法通常需要大量細胞（例如ATAC-seq、DNase-seq、FAIRE-seq、MNase-seq等）。即使這些方法可以做到單細胞解析度，也無法在單細胞解析度上對多種組學之間的互動關系進行研究。而湯富酬課題組將NOMe-seq（全基因組核小體定位及DNA甲基化組測序）技術和PBAT-seq技術（全基因組重亞硫酸鹽測序）巧妙地結合起來，並進行了系統的優化和提高，實現了對同一個單細胞進行多達5個層面的基因組和表觀基因組特徵的分析。 該課題組利用這一新建立的scCOOL-seq方法，在單細胞解析度系統地描繪了小鼠著床前胚胎發育過程中表觀基因組多個層面的動態變化。該項研究發現：
受精後12小時以內，來自高度特化的卵細胞和精子的雌雄原核就經歷了大規模的基因組去甲基化。在此過程中，父母源基因組的染色體狀態迅速打開，在受精卵的原核期就已經達到高度開放的狀態，隨後在受精卵晚期染色質開放程度大幅度回落，並在2-細胞階段之後開放程度再次逐步增加，到囊胚期時達到最高點。
首次在單細胞解析度系統分析了小鼠著床前胚胎發育過程中染色質狀態的異質性。該研究發現在受精後12個小時以內受精卵中大部分基因的啟動子區域就由均勻關閉狀態迅速重編程為均勻開放狀態，為合子基因在隨後的轉錄做好准備。
首次在單細胞解析度證明持續轉錄對於維持早期胚胎中大部分基因的啟動子處於開放狀態是必需的，染色質狀態開放和轉錄活動互相促進，共同維持合子基因的穩定表達。
研究發現多能性核心因子Oct4的靶基因結合位點在4-細胞階段就處於開放狀態，遠早於真正建立多能性的囊胚期，暗示這些位點作為潛在的順式調控元件可能參與了早期胚胎細胞的命運決定過程。
首次在單個細胞內對父母源基因組的染色質狀態以及DNA甲基化進行了深入分析。研究發現，受精後染色質狀態和DNA甲基化進行了不同步的重編程過程，父母源基因組的染色質狀態快速重編程、在每個單細胞中迅速達到精確平衡並一直維持。而DNA甲基化的重編程要慢一些並在父母源基因組之間維持不對稱分布。
首次在單細胞解析度解析了雌性胚胎細胞中父母源X染色體的DNA甲基化和染色質狀態重編程過程的異同。研究發現受精後，在雌性胚胎中失活的父源X染色體其DNA甲基化重編程速度要明顯慢於活躍的母源X染色體，二者之間DNA甲基化的差異一直到囊胚晚期才逐漸消除；而雌性胚胎中父母源X染色體同步進行快速的染色質狀態重編程，並在整個植入前時期維持這一父母源X染色體之間染色質狀態的精確平衡。
首次在單細胞解析度揭示了小鼠植入前胚胎發育過程中表觀基因組的異質性。受精後，啟動子區域DNA甲基化異質性強烈的基因和染色質狀態異質性強烈的基因分別是兩類不同的基因。這暗示在小鼠著床前胚胎發育的過程中，染色質狀態異質性和DNA甲基化異質性可能分別受不同機制的調控。
首次在單細胞解析度將細胞周期與染色質狀態聯系了起來，准確推斷出每個單細胞的倍性和細胞周期階段，並發現小鼠著床前胚胎在體內發育過程中和胚胎幹細胞使用了基本相同的一組DNA復制起始位點。
該研究系統地描繪了高度特化的配子在受精後重編程到具有發育全能性的受精卵、以及進一步發育成多能性胚胎的過程中，DNA甲基化和染色質狀態發生的精準、有序的變化，各個組學層面之間的互動關系，以及父母源基因組在著床前胚胎發育中DNA甲基化和染色質狀態的重編程過程。該工作為今後人們繼續研究哺乳動物早期胚胎細胞全能性和多能性的開啟奠定了基礎，同時為體細胞克隆效率的提高以及早期胚胎發育異常的診斷與治療提供了新思路。 北京大學生命科學學院BIOPIC中心的博士後郭帆博士、博士生李琳、李靜雲為該論文的並列第一作者；北京大學生命科學學院湯富酬研究員和四川大學郭帆研究員為這篇文章的共同通訊作者。該研究工作由北京大學和四川大學共同合作完成，並且得到了國家自然科學基金委員會、北京未來基因診斷高精尖創新中心，以及北大-清華聯合中心的資助。