2026年5月28日，北京大学生命科学学院、生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、北大-清华生命科学联合中心（CLS）汤富酬老师应邀为《生命科学科研概览和前沿展望》课程开展专题讲座。报告主题为“新一代单细胞组学测序技术”。报告以单细胞测序技术的演进脉络为基础，系统阐释了单细胞组学在对齐动物模型、揭示体内外差异及临床精准医学中的关键纽带作用；深入讲解了从二代短读长向三代长读长单细胞组学技术迈进的核心路径；并围绕人类生殖系发育、基因组“暗物质”解码以及临床表型回溯等关键内容，完整呈现了从“测量生命”到“精准干预”的前沿研究体系。
一、单细胞测序的重大变革：从物种对齐到临床精准医学
讲座开篇明确了单细胞测序技术在现代生物学研究中的普适性与决定性价值。在单细胞组学问世前，传统教科书定义人体内仅有230多种细胞类型，而经过单细胞技术十余年的跨越式发展，人类已能准确界定出5000多种不同的细胞类型与细胞状态。这一技术的普及，从根本上解决了解析人类发育和疾病时的两大难题：
首先是可以精确对齐动物模型与人类机体。在以往研究中，小鼠基因虽序列相似但表达细胞和表达阶段不同导致在小鼠身上研究的基因及调控机制无法真正用于人体。单细胞测序能够跨越物种，在“发育阶段”和“细胞类型”两个维度上同时对齐，精准筛选出真正保守、值得深挖的基因。
其次是评估体外培养与体内真实状态的异同。在类器官和细胞系体外培养中，由于失去了体内微环境的邻居细胞与信号通路，基因表达极易发生改变。单细胞组学为体内外状态建立了系统的比对坐标。
此外，单细胞测序赋予了临床医生极大的技术解放。对于缺乏动物模型和细胞系的绝大多数罕见病或复杂疾病，直接对临床手术标本及尸检样本进行单细胞测序，获得人类健康细胞图谱及疾病状态细胞图谱，能够精准动态回溯疾病的演变历程。
在单细胞的众多分支领域中，汤富酬老师重点关注了其在生殖发育中的应用。汤老师在报告中界定了“生殖系细胞”与“生殖细胞”的区别。生殖系细胞涵盖了从上一代到下一代遗传信息传递全过程中遗传信息‘穿越’的所有细胞类型，包括受精卵、囊胚等早期胚胎以及原始生殖细胞等整个闭环发育谱系。由于生殖系细胞的基因改造会不可逆地流入人类基因库，带来严重的不确定性后果，因此必须受到严格限制。相反，只要不触碰生殖系，以治病为目的的“非生殖系细胞”编辑，在医学层面上则具备广阔的探索空间。
细胞在非生殖系中的分化往往是单向的表观遗传修饰累积过程，但生殖系细胞则必须面临“返璞归真”的挑战。人类基因组拥有多达2800万个CpG甲基化位点，如何让上一代已经历复杂修饰的表观状态，在下一代重新变回“初始”的低甲基化状态？
针对生殖系细胞在生理与病理条件下的基因调控网络，汤富酬老师提出了三大核心主攻问题：表观遗传信息在早期生殖系发育过程中是如何被擦除并重新构建的？基因组中占绝大多数的“重复序列”其表观遗传调控如何参与并调控了生殖系的发育？基因与表观遗传的异常是如何导致生殖系相关的疾病？
三、经典单细胞组学奠基：从转录组读取到DNA甲基化一体化检测
为回答上述问题，汤富酬老师团队在过去十多年中开展了一系列里程碑式的工具创新。汤老师于2009年在英国发表了世界上第一个单细胞转录组测序技术，将人类带入了单细胞测序时代。
2013年回到北大后，汤富酬老师团队建立了国际上首个单细胞DNA甲基化组测序技术（scCOOL-seq），突破了生殖系细胞（如受精卵、原始生殖细胞）因数量稀少、异质性高而无法精准研究的瓶颈。该技术通过精妙的“单管反应”和重亚硫酸盐转换，实现了在单个细胞中同时捕捉并检测高达100万至150万个CpG位点甲基化状态的突破。随后，团队创新性地结合限制性内切酶与超声印迹，建立了单细胞内单个CpG位点验证的方法。
尽管二代高通量测序在过去各类领域中应用广泛，但其300bp的短读长使其在复杂的基因结构研究中存在技术瓶颈。人类基因组中有高达54%的区域属于重复序列以及难以mapping的异染色质区域（如着丝粒、端粒），在二代测序中，打碎的短片段因无法唯一比对，导致这些区域的突变、甲基化和组蛋白修饰完全处于不可见的状态。
为了深入研究人类基因组，汤富酬老师团队在过去六七年间全面发展了第三代长读长单细胞组学测序技术，将读长一举拉长至3000bp至10kb以上。该技术无需打碎片段，可分辨单个基因产生的多达10种不同的剪接异构体，并利用父源与母源印记精准分离二倍体细胞的等位基因表达特征。此外，汤老师团队系统还研发了SMOOTH-seq、scNanoSeq-CUT&Tag、scNanoATAC-seq等一系列长读长测序方法，实现单细胞分辨率下重复序列、三维染色质构象、等位特异性调控的精准解析。
六、三代单细胞测序的应用：三维染色质折叠与早期胚胎发育
基于先进的长读长组学工具，汤富酬老师在生殖系发育研究领域中取得了重大的生物学突破。汤富酬老师重点分享了近年来的两项工作：
首先是发现了生殖细胞同源重组的“保护机制”。生殖细胞在减数分裂中需要同时发生约200个双链断裂，这是极度危险的生化行为。通过scNanoHi-C技术，团队发现细胞在断裂发生前，会聪明地在特定位点提前向两边推开几百kb到1Mb并搭建好“染色质环”。这如同建立起了200个互相隔离的“小帐篷”，将断裂与周围的转录活动屏蔽，待同源重组交换完成后再将环擦除。
其次是小鼠着床前胚胎发育的精细刻画。汤富酬老师介绍他们课题组25年发表在Science上的工作，该研究在此前建立技术基础上队开发了用于评估单个细胞中染色质可及性的测序方法scNanoATAC-seq2，可以准确描述短读长ATAC-seq通常遗漏的重复元件的染色质状态；运用该方法，团队对小鼠从受精卵发育至晚期囊胚的10个精细演变阶段进行了详尽的染色质开放性分析。拟时序分析清晰证实：在形态学发生空腔变化之前，早在16细胞期，胚胎内部的表观遗传景观就已经悄然为未来的滋养外胚层和内细胞团谱系分化做好了的预编程准备。
本次讲座汤富酬老师讲述了从“经典二代单细胞组学奠基”到“三代长读长单细胞组学跨越”的前沿研究，他团队的工具革新深刻回答了生殖系发育中表观信息擦除重建、染色质三维折叠与谱系发育的问题。
从更广阔的临床转化医学来看，单细胞组学技术正在重新定义我们的诊疗思路。无论是利用单细胞表观标志物预测化疗群体的多重响应差异；还是基于基因调控网络，通过直接破坏红成细胞中的BCL11A特异性增强子，从而激活伽马珠蛋白来替代突变的贝塔珠蛋白，治疗中海贫血患者——单细胞组学都展现出了无可估量的临床应用前景。未来，伴随着长读长组学测序成本的进一步普惠化，对健康对照“数字人参考图谱”的深度建立，必将加速基础科学研究成果向精准医学和临床产业的高效转化。
