基于代谢RNA标记的时间分辨单细胞RNA测序技术

《Accounts of Chemical Research》：Metabolic RNA Labeling-Enabled Time-Resolved Single-Cell RNA Sequencing

基因表达异质性与动态调控机制研究：基于代谢RNA标记的单细胞时间分辨测序技术（包括Well-TEMP-seq和scDUAL-seq）的创新进展及其在活体动物和空间转录组学中的应用。

　　

概览

细胞的基因表达是一个高度异质且动态的过程，它在胚胎发生、疾病进展以及对刺激的反应等各种生物过程中会随时间发生变化。理解这种异质性和动态性基因表达的分子机制对于深化我们对健康和疾病的认识至关重要。单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的最新发展为通过分析单个细胞的转录组来解析细胞异质性提供了重要机会。然而，scRNA-seq仅能捕捉基因表达的静态快照，无法在时间上解析RNA的变化过程。因此，转录的快速变化、RNA合成与降解速率的协调调控以及驱动细胞命运决定的细胞间相互作用仍然知之甚少。近年来，基于代谢RNA标记的scRNA-seq技术作为一种前沿的化学工具应运而生，用于解决这些挑战。核苷类似物被用来标记新转录的RNA，从而将其与已存在的RNA区分开来。这种具有时间分辨率的技术能够无偏见地捕捉每个细胞中数千个基因的真实RNA动态变化，为研究不同生物过程中异质性和动态性基因表达的调控机制提供了前所未有的见解。

在本文中，我们重点介绍了我们团队及其他实验室在基于代谢RNA标记的时间分辨scRNA-seq领域取得的最新进展。首先，我们总结了将代谢RNA标记（例如4-硫尿啶标记）与各种scRNA-seq平台相结合的最新发展。我们特别介绍了基于尺寸排他和局部准静态流体力学的Well-TEMP-seq方法，该方法显著提升了时间分辨scRNA-seq的性能（更高的通量、更高的细胞条形码效率和RNA回收率），同时降低了成本。接下来，我们将标记策略从单核苷标记扩展到双核苷标记，并开发了scDUAL-seq。scDUAL-seq通过两种不同核苷的顺序（脉冲-脉冲）标记，解决了单核苷标记在同时监测RNA合成与降解过程以及准确测量RNA动力学方面的局限性。scDUAL-seq区分不同细胞状态的能力还有助于揭示RNA合成与降解之间的相互作用，这些相互作用控制着动态过程中的不同RNA调控策略转变。随后，我们讨论了我们实验室（Dyna-vivo-seq）及其他团队在体内基于代谢RNA标记的scRNA-seq方面的进一步发展，这将时间分辨scRNA-seq研究从培养细胞扩展到了动物模型。这一创新为揭示活体生物中的单细胞RNA动态提供了新的途径。最后，我们介绍了将时间分辨scRNA-seq与空间转录组学相结合的尝试，为RNA动态的时间维度增添了空间信息。这种新范式有助于解析组织微环境中细胞间相互作用对基因表达和细胞命运决定的时空调控，为生物医学应用带来了巨大潜力。

我们还探讨了当前用于单细胞RNA动态分析的化学工具的局限性以及未来的改进方向。我们期待这篇综述能激励化学家们开发更先进的化学工具，以更深入地研究异质性和动态性的基因表达过程，并为健康与疾病中的RNA动态分子机制提供变革性的见解。