朱伟教授团队在PNAS发表论文：空间限域生物硅化实现单细胞转录组常温稳定保存

 在自然界中，化石能够历经漫长岁月保留生物体的部分结构与生命信息，为研究生命演化提供珍贵线索。受天然化石形成过程的启发，科学家尝试利用仿生矿化技术，在生物分子及细胞周围构建无机保护结构，实现生命信息的长期稳定保存。

 近年来，单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq）技术快速发展，为解析细胞异质性、肿瘤微环境及疾病发生机制提供了重要工具。然而，RNA分子极易受到温度、核酸酶及氧化应激等因素影响而发生降解，临床样本通常需要新鲜处理或依赖低温冷链保存和运输，限制了单细胞测序技术的大规模应用。因此，如何在常温条件下实现RNA的长期稳定保存，同时维持单细胞转录组信息的完整性与可读取性，成为亟待解决的关键问题。

 近日，华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授团队联合广州国家实验室及美国新墨西哥大学等单位，在国际学术期刊《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）发表题为“Si-scRNA-seq: enabling ambient-stable single-cell transcriptomics through spatially confined biosilicification”的研究论文。

 该研究提出了一种基于空间限域生物硅化（Spatially Confined Biosilicification，SCB）的单细胞转录组常温保存新策略。通过精准调控细胞内外二氧化硅的沉积，在生物分子周围构建纳米尺度保护结构，实现了RNA的稳定保存与高保真单细胞测序。研究表明，该方法可将25℃条件下RNA的理论半衰期延长至54.8天，较未经保护样本提高685倍，并成功应用于卵巢癌、肺癌及肝癌临床组织样本，为摆脱单细胞测序对冷链运输的依赖提供了新思路。

 图1. 空间限域生物硅化实现单细胞转录组常温保存及测序的技术示意图

 结果解读

 一、空间限域生物硅化策略的构建

 研究团队前期发展了冷冻硅化和深度硅化技术，实现了DNA及不同尺度生物样本遗传信息的长期保存。然而，传统硅化过程中无机材料过度交联及细胞聚集等问题限制了其在单细胞测序中的应用。针对这一挑战，研究人员提出空间限域生物硅化策略，通过引入硅化抑制剂（HMDS），精准调控细胞内外二氧化硅的沉积与缩合，在维持细胞结构完整性的同时，有效避免过度交联和细胞聚集，实现了RNA的稳定保护与高效提取，为单细胞转录组的常温保存及高保真测序奠定了基础（图2）。

 图2. 空间限域生物硅化的构建及细胞结构表征

 二、实现单细胞RNA的常温稳定保存

 研究人员以小鼠卵巢癌ID8细胞为模型，系统评估了空间限域生物硅化对单细胞转录组的保护效果。结果显示，硅化细胞的中位UMI数和检测基因数分别达到27,734和5,381，表现出良好的RNA捕获能力。相比未经保护及RNAlater保存的细胞，硅化细胞在室温保存21天后仍能获得高质量的单细胞转录组数据，其中保存7天的样本与新鲜样本的基因表达相关性达到0.95。此外，硅化处理显著增强了RNA对氧化应激和紫外线辐射的抵抗能力，展现出优异的常温保存性能与环境稳定性（图3）。

 图3. 空间限域生物硅化对单细胞转录组信息的保护效果

 三、揭示RNA长期稳定保存的保护机制

 研究团队通过加速老化实验及RNA降解动力学分析，揭示了空间限域生物硅化对RNA的长期保护作用（图4）。Arrhenius模型预测，硅化细胞中RNA在25℃下的理论半衰期达到54.8天，分别是未经保护样本和RNAlater保存样本的685倍和228倍，且室温保存60天后仍可检测到特征性核糖体RNA条带。机制研究表明，细胞外二氧化硅网络通过分子筛效应阻隔外源性核酸酶，细胞内则可能形成RNA–蛋白质–二氧化硅复合结构，协同增强RNA的稳定性，为生命信息的长期保存提供了新思路。

 图4. RNA长期保存的降解动力学及分子保护机制

 四、实现多种临床肿瘤样本的常温保存

 为验证Si-scRNA-seq的临床应用潜力，研究团队将其应用于人卵巢癌、肺癌及肝癌组织样本。结果显示，经过14天室温保存后，硅化样本仍能获得高质量的单细胞转录组数据，分别成功检测到10,263、12,210和13,013个细胞。其中，肺癌样本与新鲜样本的整体基因表达相关性约为0.95，肝癌样本仍可独立识别出与新鲜样本一致的15类主要细胞群，表明该技术能够较好地保留复杂临床组织的细胞异质性及转录组特征，为临床样本的常温运输和集中化单细胞测序提供了新的技术支持（图5）。

 图5. Si-scRNA-seq在卵巢癌、肺癌及肝癌临床样本中的应用

 五、高保真保留肿瘤微环境及疾病相关分子特征

 为进一步评估Si-scRNA-seq对复杂生物学信息的保留能力，研究团队对癌旁正常组织、新鲜肺癌组织及室温保存14天的硅化肺癌组织进行了系统分析（图6）。通过约3万个单细胞的转录组分析，成功识别出18类主要细胞群，发现硅化保存组与新鲜肿瘤组织在细胞组成、恶性细胞分布及基因表达特征方面高度一致。进一步通过拷贝数变异、差异表达基因及信号通路分析，发现两组肿瘤样本相对于癌旁正常组织共有416个差异表达基因重叠，涉及非小细胞肺癌、MAPK信号通路等重要生物学过程，表明该技术能够高保真保留肿瘤微环境及疾病相关分子特征，为肿瘤发生机制研究提供可靠的技术支撑。

 图6. Si-scRNA-seq在卵巢癌、肺癌及肝癌临床样本中的应用

 五、结论

 该研究通过构建空间限域生物硅化策略，克服了传统硅化过程中无机材料过度交联及细胞聚集等难题，实现了单细胞RNA的常温稳定保存与高保真转录组分析，具有操作简便、成本低廉（约0.1元/样本）及兼容主流单细胞测序平台等优势。从前期冷冻硅化、深度硅化实现DNA长期保存，到本研究实现RNA及单细胞转录组信息的稳定保存，研究团队进一步拓展了仿生矿化技术在生命信息保存领域的应用，为突破单细胞测序的冷链依赖提供了新途径，有望应用于临床样本保存、多中心医学研究及大规模单细胞转录组分析等领域。

 华南理工大学生物科学与工程学院周亮、阮婷为论文共同第一作者，通讯作者为华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授、广州国家实验室刘亚和曹小宝教授以及美国新墨西哥大学C. Jeffrey Brinker教授。该研究得到了国家自然科学基金等项目支持。