文獻(xiàn)解讀：評(píng)估代謝RNA標(biāo)記技術(shù)在高通量單細(xì)胞RNA測(cè)序中的應(yīng)用

期刊：Nature communications
影響因子：15.7
主要技術(shù)：華大C4 scRNA-seq，10x scRNA-seq

導(dǎo)語
代謝RNA標(biāo)記結(jié)合高通量單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）能夠精確測(cè)量復(fù)雜生物過程中基因表達(dá)動(dòng)態(tài)，如細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換和胚胎發(fā)育。該技術(shù)通過誘導(dǎo)堿基轉(zhuǎn)換標(biāo)記新合成的RNA以進(jìn)行檢測(cè)，依賴于轉(zhuǎn)換效率、RNA完整性和轉(zhuǎn)錄本回收率。這些因素受所選化學(xué)轉(zhuǎn)換方法和平臺(tái)兼容性的影響。本研究使用Drop-seq平臺(tái)對(duì)十種化學(xué)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行測(cè)試，分析了52,529個(gè)細(xì)胞。分析發(fā)現(xiàn)，基于beads的方法，特別是mCPBA/TFEA，優(yōu)于原位（In-suit）方法。為評(píng)估體內(nèi)應(yīng)用，作者將這些優(yōu)化方法應(yīng)用于9,883個(gè)斑馬魚胚胎細(xì)胞在母體到合子轉(zhuǎn)換期間，識(shí)別并驗(yàn)證了合子激活轉(zhuǎn)錄本，增強(qiáng)了合子基因檢測(cè)能力。此外，作者還評(píng)估了兩種捕獲效率更高的商業(yè)化平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)固相上的碘乙酰胺（IAA）化學(xué)方法最為有效。本研究結(jié)果為選擇最佳化學(xué)方法和scRNA-seq平臺(tái)提供了關(guān)鍵指導(dǎo)，推動(dòng)了復(fù)雜生物系統(tǒng)中RNA動(dòng)態(tài)研究。

主要技術(shù)
華大C4 scRNA-seq，10x scRNA-seq

研究結(jié)果
1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和計(jì)算質(zhì)量控制評(píng)估
為全面測(cè)試代謝標(biāo)記單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）中不同化學(xué)轉(zhuǎn)化方法的性能，作者以Drop-seq平臺(tái)為基礎(chǔ)，在源自斑馬魚胚胎的ZF4成纖維細(xì)胞系上測(cè)試了10種化學(xué)轉(zhuǎn)化方法，通過dynast流程及專用質(zhì)控流程，從RNA完整性、轉(zhuǎn)化效率、RNA回收率三個(gè)維度評(píng)估方法優(yōu)劣。結(jié)果顯示，mCPBA/TFEA（pH5.2）等磁珠轉(zhuǎn)化方法表現(xiàn)最優(yōu)，平均T-to-C替換率超8%，且對(duì)cDNA完整性影響較小，每個(gè)細(xì)胞在10,000條測(cè)序reads下可檢測(cè)約2,044個(gè)基因和5,468個(gè)UMI，與未處理樣本水平相當(dāng)，且磁珠方法中T-to-C替換率是原位轉(zhuǎn)化方法的 2.32倍。這一結(jié)果為代謝標(biāo)記scRNA-seq中化學(xué)轉(zhuǎn)化方法的選擇提供了直接基準(zhǔn)，明確了磁珠上轉(zhuǎn)化方法在效率和完整性上的優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)研究奠定方法學(xué)基礎(chǔ)。
 

圖1 使用ZF4細(xì)胞對(duì)十種化學(xué)轉(zhuǎn)化方法進(jìn)行比較和評(píng)估。

2. 細(xì)胞周期中的 mRNA 控制策略
為探究代謝RNA標(biāo)記在細(xì)胞周期mRNA調(diào)控研究中的應(yīng)用價(jià)值，作者將52,529個(gè)經(jīng)不同化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的細(xì)胞分為穩(wěn)態(tài)和分裂細(xì)胞集群，結(jié)合流式細(xì)胞術(shù)、相關(guān)性分析及基因表達(dá)分析評(píng)估方法效果。結(jié)果表明，4sU標(biāo)記本身不影響細(xì)胞周期分布，但OsO₄和IAA（37°C）處理會(huì)導(dǎo)致分裂細(xì)胞減少；磁珠上轉(zhuǎn)化方法在標(biāo)記與未標(biāo)記RNA檢測(cè)上一致性更高（Pearson’sr>0.9），且mCPBA類方法能高效識(shí)別細(xì)胞周期相關(guān)基因（如tubb4b），其標(biāo)記轉(zhuǎn)錄本比例與T-to-C替換率正相關(guān)，同時(shí)細(xì)胞周期基因的RNA半衰期顯著短于管家基因。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了優(yōu)化后的代謝標(biāo)記方法可準(zhǔn)確捕捉細(xì)胞周期中的RNA動(dòng)態(tài)，為解析細(xì)胞周期相關(guān)的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制提供了可靠技術(shù)手段，也為后續(xù)研究RNA穩(wěn)定性與細(xì)胞功能的關(guān)聯(lián)提供了數(shù)據(jù)支持。

3. 鑒定斑馬魚胚胎發(fā)育中的合子激活轉(zhuǎn)錄本
為驗(yàn)證優(yōu)化化學(xué)轉(zhuǎn)化方法在體內(nèi)的適用性，研究以斑馬魚母源-合子轉(zhuǎn)換為模型，在5.5hpf胚胎細(xì)胞（合子轉(zhuǎn)錄本占比9.33%）中應(yīng)用不同方法，通過新RNA與總RNA比例（NTR）劃分母源、合子及母源-合子基因，并與公開數(shù)據(jù)集對(duì)比。結(jié)果顯示，基于mCPBA的方法能識(shí)別更多合子基因，約78%新轉(zhuǎn)錄RNA基因?yàn)槟冈?合子基因（MZ），與斑馬魚bulkRNA-seq及爪蟾新生RNA-seq結(jié)果高度一致，且T-to-C替換率越高，高NTR閾值下合子基因識(shí)別差異越顯著，全胚胎原位雜交及內(nèi)含子探針驗(yàn)證進(jìn)一步確認(rèn)了合子轉(zhuǎn)錄本的準(zhǔn)確性。這一成果證明優(yōu)化方法可高效解析體內(nèi)胚胎發(fā)育中的RNA動(dòng)態(tài)，為深入研究母源-合子轉(zhuǎn)換機(jī)制及合子基因組激活（ZGA）提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，也為其他物種早期胚胎發(fā)育的轉(zhuǎn)錄組研究提供了參考。

圖2 利用改進(jìn)的化學(xué)轉(zhuǎn)化方法在斑馬魚胚胎發(fā)育中鑒定合子激活轉(zhuǎn)錄本

4.鑒定斑馬魚胚胎發(fā)育中的合子激活轉(zhuǎn)錄本
為解決Drop-seq平臺(tái)（細(xì)胞捕獲效率約5%）在稀有細(xì)胞樣本研究中的局限性，研究對(duì)比了10×Genomics和華大C4兩種高捕獲效率（約50%）商業(yè)化平臺(tái)，測(cè)試不同化學(xué)轉(zhuǎn)化方法與平臺(tái)的兼容性。結(jié)果顯示，華大C4支持磁珠上轉(zhuǎn)化，其結(jié)合IAA（32°C）方法的T-to-C替換率最高（8.44%），文庫復(fù)雜度也更優(yōu)；10×Genomics僅限原位轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化效率較低但文庫復(fù)雜度較高；相同原位化學(xué)條件下，C4平臺(tái)的T-to-C替換率（5.74%）高于其他平臺(tái)，且商業(yè)化平臺(tái)在基因和UMI檢測(cè)數(shù)上均優(yōu)于定制化Drop-seq。這一對(duì)比明確了不同平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)與適用場景，為稀有細(xì)胞（如早期胚胎細(xì)胞）研究提供了平臺(tái)與方法的最優(yōu)組合方案，有助于推動(dòng)低細(xì)胞量樣本的轉(zhuǎn)錄組動(dòng)態(tài)研究。
 

圖3 10×Genomics、Drop-seq和華大C4高通量單細(xì)胞平臺(tái)的比較

參考文獻(xiàn)：
[1]ZhangX,PengM,ZhuJ,ZhaiX,WeiC,JiaoH,WuZ,HuangS,LiuM,LiW,YangW,MiaoK,XuQ,ChenLandHuP2025BenchmarkingmetabolicRNAlabelingtechniquesforhigh-throughputsingle-cellRNAsequencingNatCommun165952.