单细胞视角下的生命科学新突破：从触觉感知到妊娠机制

单细胞视角下的生命科学新突破：从触觉感知到妊娠机制

单细胞测序技术正在不断推动生命科学研究的边界。从揭示触觉的神经基础，到解析妊娠过程中的细胞图谱，再到开发新的算法解决技术难题，科学家们在单细胞层面不断取得突破性进展。本文将为您介绍近期在单细胞研究领域的几项重要发现。

1 新算法WCSGNet：助力单细胞RNA测序细胞类型精准注释

单细胞RNA测序技术是探索组织中细胞复杂性的重要工具，它能够在单细胞水平上分析基因表达，为揭示细胞异质性提供了前所未有的视角。然而，准确识别细胞类型一直是该领域的难点。传统的方法通常依赖于广泛的基因表达特征，但往往忽略了单个细胞独有的基因交互模式。WCSGNet的出现有效解决了这一问题。

WCSGNet的核心创新在于使用加权细胞特异性网络（Weighted Cell-Specific Networks, WCSN）与图神经网络（Graph Neural Network, GNN）相结合的方法。研究团队通过构建WCSN，不仅捕捉了基因表达模式，还整合了每个细胞特有的基因关联网络。这种双重特征的结合，使得WCSGNet能够更精确地注释细胞类型，尤其是在数据集高度不平衡的情况下，展现了极高的稳定性和准确性。

WCSGNet的工作原理大体如下：首先，研究者为训练集构建了加权细胞特异性基因关联网络（WCSN），通过对基因之间的独立性进行测试，提取出重要的基因交互信息。对于测试集中的每个细胞，WCSN的构建则基于该细胞的基因表达数据与训练数据集的关联。这一过程确保了每个细胞的独特特征能够被充分考虑。在分类器设计上，WCSGNet采用了图卷积层（GraphConv），通过聚合当前基因节点与其邻近节点的交互特征，生成更新后的基因嵌入（gene embedding）。随后，这些嵌入数据经过层归一化（Layer Normalization）和ReLU激活函数处理，再通过两层卷积网络（CNN）提取更高级的特征。最终，经过展平和全连接层，算法能够准确预测细胞类型标签。

WCSGNet的优势不仅在于其创新的算法结构，还在于其在实际应用中的优异表现。研究团队对多个数据集进行了测试，结果显示WCSGNet在分类精度和稳定性上均超过了现有方法，尤其是在面对具有挑战性的不平衡数据集时，其表现尤为突出。这一成果为单细胞RNA测序研究提供了更强大的工具，帮助科学家更深入地理解细胞内部复杂的分子网络。

2 科学家揭示触觉的奥秘：人类触觉由16种独特神经细胞类型组成

触觉是人类感知世界的重要方式，它通过体感系统感知温度、压力、疼痛等外界刺激。长期以来，科学界普遍认为，每种感觉由特定类型的神经细胞负责，例如痛觉由痛觉神经细胞感知，冷觉由冷觉神经细胞感知。然而，这项研究颠覆了这一传统观点，表明人体的感觉机制远比我们想象的复杂。近日，一项由瑞典林雪平大学、卡罗琳斯卡医学院以及美国宾夕法尼亚大学联合完成的研究揭示了人类触觉的复杂性。这项研究发表在《Nature Neuroscience》杂志上，为我们理解触觉的神经基础提供了全新的视角。

研究团队的目标是绘制一幅关于人类感觉神经细胞的详细图谱，并与小鼠和猕猴进行比较，以揭示不同物种间的异同。为了探究这些神经细胞的具体功能，研究团队采用了一种名为“微神经图法”的技术。这种方法允许研究人员在清醒的实验参与者身上，直接“监听”单个神经细胞的信号。通过对皮肤神经细胞施加温度、触摸或化学刺激，研究人员能够观察到具体的神经细胞是否会对这些刺激作出反应。

这一实验带来了许多令人意想不到的发现。例如，研究人员发现一种通常对愉悦触感敏感的神经细胞，竟然也会对辣椒素（赋予辣椒辛辣感的物质）和加热作出反应。辣椒素通常被认为是痛觉神经细胞的典型刺激物，这一现象表明触觉神经细胞可能具备超出传统认知的功能。此外，该细胞类型还对冷却刺激作出了反应，尽管它并不产生已知的冷觉感知蛋白。这一发现暗示，人体可能存在尚未被发现的冷觉感知机制。另一项重要发现是，人类的快速传导痛觉神经细胞不仅对疼痛刺激敏感，还对非疼痛性的冷却刺激和薄荷醇作出反应。这一现象挑战了“每种神经细胞只负责一种感觉”的传统观点，表明触觉与痛觉之间可能存在更复杂的交互机制。

研究还对人类、小鼠和猕猴的神经细胞进行了比较，发现许多神经细胞类型在物种间具有相似性。然而，人类在快速传导痛觉神经细胞的数量上远超小鼠。这些神经细胞能够以极高的速度将疼痛信号传递至大脑，研究人员推测，这可能与人体的体型相关。由于人体比小鼠大得多，信号需要更快地传递至大脑，以便及时作出反应，否则可能在意识到危险前就已经受伤。

这项研究的意义远不止于触觉本身。通过揭示神经细胞的复杂性和多功能性，研究为探索疼痛机制、开发新型止痛药物以及治疗感觉障碍提供了重要线索。未来，研究团队计划进一步绘制每种神经细胞的“详细画像”，以更深入地理解触觉的神经基础。

3 体内Perturb-seq技术为疾病研究带来革命性突破

体内Perturb-seq是一种先进的基因功能研究工具，它通过基因编辑技术（如CRISPR）与单细胞RNA测序相结合，在活体环境中分析基因对细胞类型的影响。与传统的体外研究不同，该技术允许科学家在真实的生物环境中观察基因的作用，从而获得更具生物学意义的结果。研究人员利用腺相关病毒（AAV）作为载体，将基因编辑工具直接递送到活体组织中。随后，通过单细胞RNA测序，研究人员可以详细分析每个细胞的基因表达变化，了解特定基因的分子作用机制。这种方法的独特之处在于，它不仅能够识别风险基因，还能揭示这些基因在疾病中的具体作用。例如，科学家可以利用体内Perturb-seq研究癌症、神经退行性疾病和自身免疫性疾病中的基因功能，甚至找到潜在的治疗靶点。

体内Perturb-seq实验涉及多个复杂但关键的步骤，从实验设计到数据分析，整个过程需要9到15周才能完成。首先，研究人员设计一个“扰动库”，其中包含一组靶向特定基因的向导RNA（gRNA）。这些gRNA负责引导CRISPR基因编辑工具靶向特定基因区域。接下来，研究人员通过腺相关病毒载体将这些编辑工具递送到小鼠体内。在实验中，科学家将这些AAV载体注射到小鼠体内的目标组织中，例如大脑或肝脏，并允许基因编辑在几周内发挥作用。随后，他们收集目标组织，利用单细胞RNA测序技术分析每个细胞的基因表达变化。通过这种方式，研究人员可以观察到基因扰动对不同细胞类型的具体影响。最后，科学家使用专门的软件对数据进行深入分析，寻找基因扰动如何影响细胞行为的证据。这种分析能够揭示基因与疾病相关的分子通路，为理解疾病机制提供重要线索。

通过体内Perturb-seq，科学家可以系统地测试基因在活体系统中的功能。这种方法的潜在应用非常广泛，包括：

• 更深入地理解疾病机制：研究风险基因如何导致癌症、神经退行性疾病等复杂疾病，为疾病预防和治疗提供新思路。
• 发现新的药物靶点：通过识别关键基因和分子通路，帮助开发更有效的药物。
• 推动个性化医疗的发展：根据患者的独特基因构成，开发针对性的治疗方法，提高治疗效果。

4 PbImpute算法帮助解决单细胞RNA测序的dropout zero问题

单细胞RNAseq中常存在dropout zero的问题。所谓dropout zero，是指某些基因在数据中表现为无表达值（即零），但这并不一定是因为基因真的没有活性，而可能是技术限制导致的，例如低mRNA捕获效率。这种技术性掉零会扭曲后续的数据分析，使得科学家难以准确刻画细胞群体和基因表达模式。为了解决这一难题，桂林理工大学的研究团队开发了一种名为PbImpute的全新计算方法。该方法通过精确区分技术性掉零和生物学零，并对数据进行平衡填补，从而显著提高了单细胞RNA测序数据的质量。

PbImpute的核心在于其多阶段工作流程，能够对掉零现象进行精准修复，同时保留数据的生物学真实性。整个过程分为五个关键步骤：首先，PbImpute利用一种名为零膨胀负二项分布（ZINB）的统计模型，对数据中的零值进行分类。通过这一模型，算法能够区分哪些零值是技术性掉零，哪些是真正的生物学零；接下来，算法对技术性掉零进行初步修复，将这些零值替换为合理的基因表达水平；此后，PbImpute会重新评估数据，通过分析基因表达的频率和变异性，进一步识别可能遗漏的技术性掉零。在这一基础上，PbImpute引入了一种基于图嵌入的神经网络算法。这一步骤的目标是通过保持基因与细胞之间的关系，确保修复后的数据尽可能贴近真实的生物学情况。最后，算法通过动态修复机制，对修复后的非零值进行微调，避免过度修正。这一多阶段流程使得PbImpute能够在修复数据的同时，最大程度地保留数据的生物学特性。

在模拟数据和真实单细胞RNA测序数据的基准测试中，PbImpute展现出了卓越的性能。当掉零率高达83%时，该方法的F1得分达到0.88，明显优于现有的其他方法。更重要的是，PbImpute的使用显著提升了聚类分辨率、差异表达分析以及细胞间相关性分析的准确性。此外，PbImpute还在轨迹推断方面表现出色。轨迹推断是研究细胞发育和疾病进程的重要工具，而掉零现象往往会干扰这一分析。通过PbImpute的修复，科学家能够更准确地描绘细胞发育路径，为理解疾病机制提供新的视角。

PbImpute的潜在应用场景非常广泛。首先，它能够帮助研究人员识别稀有细胞类型。例如，在癌症研究中，某些稀有细胞可能在肿瘤形成和转移中起到关键作用，而PbImpute可以通过修复掉零数据，揭示这些稀有细胞的基因表达特征。其次，PbImpute对疾病相关基因表达变化的检测也极具价值。在免疫学和再生医学等领域，精准的数据分析是发现新型治疗靶点的关键。PbImpute的出现，为这些领域的研究提供了更可靠的数据支持。更重要的是，PbImpute还能为个性化医疗提供帮助。通过更高质量的单细胞数据，科学家可以更深入地了解患者的基因表达特征，从而开发针对性更强的治疗方案。

5 揭秘马与人类妊娠的共同密码：单细胞图谱带来生育研究新突破

马的妊娠过程具有独特性，与大多数哺乳动物不同，马胚胎的植入时间被显著延迟，通常发生在受精后约40天。研究团队希望通过这项研究了解这种延迟植入的分子机制，以及这些机制是否是马所特有的。

研究团队对近97,000个子宫内膜细胞进行了单细胞RNA测序分析，从而捕捉每个细胞内的基因表达情况。通过分析，研究人员识别出了40种不同的细胞群体，并建立了一个详细的马妊娠细胞图谱。这一图谱展示了胚胎植入前后子宫内膜细胞的动态变化，特别是上皮细胞、基质细胞、免疫细胞及其与腺体和血管的复杂相互作用。

研究的亮点之一是发现了多种新的免疫细胞亚群，这些细胞在胚胎植入期间表现出显著的活性。通过与人类妊娠早期的细胞进行比较，研究人员发现了马和人类在妊娠免疫适应方面的显著相似性，这为跨物种研究提供了重要依据。另外在研究过程中，科学家们发现了一种名为子宫内膜自然杀伤细胞（eNK）的免疫细胞在胚胎植入期间占据了主导地位。这一发现颠覆了传统认知，因为eNK细胞通常与高度侵袭性的胎盘相关，而在马中此前仅被认为是少数存在。然而，研究显示，这类细胞实际上占到了子宫免疫细胞的近一半。通过分析这些细胞的基因表达，研究团队推测它们在成功妊娠中可能扮演了多重角色，包括调节母体对胚胎的免疫反应、促进子宫内膜的重塑以及抵御病毒感染。eNK细胞是许多物种中占主导地位的免疫细胞，这表明它们在哺乳动物妊娠状态中具有进化上的保守性。

这一研究不仅为马的妊娠提供了分子层面的深刻见解，也为人类生育问题的研究开辟了新的方向。通过构建详细的马妊娠细胞图谱，科学家们可以进一步探讨哪些基因在流产或其他生育问题中可能出现异常。此外，马与人类在妊娠免疫适应方面的相似性为跨物种研究提供了宝贵的资源，有助于揭示影响妊娠成功的关键因素。研究团队还强调，这项研究为未来开发新的诊断和治疗方法提供了基础。例如，通过深入了解子宫内膜自然杀伤细胞的功能，科学家可能找到调节母体免疫系统的新靶点，从而提高妊娠成功率。