从单细胞转录组学到单细胞代谢组学：同频共振，解锁生命科学「单细胞级」精准视角

当生命科学研究从 "群体平均" 迈向 "单细胞精度"，单细胞转录组测序(scRNA-seq)推动了细胞异质性的高通量解析，以单个细胞为单位，全景式解析基因表达谱，为科学研究提供了革命性视角。更重要的是，其历经十余年发展所沉淀的科学问题与研究范式，可为单细胞代谢组学提供重要借鉴——作为更贴近细胞真实功能状态的下游表型，单细胞代谢组学能揭示转录组学无法直接反映的代谢表型与生理活性，为研究者打开全新视角。

本文梳理了单细胞转录组学的经典应用方向，并呈现其与单细胞代谢组学的关联，帮助关注单细胞转录组学至单细胞代谢组学的研究者精准把握研究价值与应用场景。

传统批量(bulk)测序反映的是大量细胞的分子信号平均值，难以体现细胞之间的真实差异。单细胞转录组学技术以单个细胞为分析单元，能够更真实地还原组织内部的细胞构成、细胞状态及细胞间相互作用，在细胞异质性解析、稀有细胞识别以及组织微环境研究等方面展现出显著优势。这些经单细胞转录组学得以系统阐释并广泛应用的科学问题，同样也是单细胞代谢组学重点关注的研究方向。

1.单细胞转录组学应用

绘制全身、器官或组织的单细胞转录图谱，基于基因表达特征精准分类细胞类型，发现传统方法无法识别的稀有、新型细胞亚群，建立健康与疾病状态的细胞参考标准。

案例应用：在肝癌组织中鉴定出具有肿瘤起始能力的细胞亚群，为解析肿瘤起源与异质性提供关键依据。

参考文献：Zheng H, et al. Single-cell analysis reveals cancer stem cell heterogeneity in hepatocellular carcinoma. Hepatology, 2018, 68(1):127-140.

2.单细胞代谢组学应用

基于代谢物特征构建单细胞代谢图谱，以 “代谢表型” 定义细胞类型与亚型——代谢物是细胞功能的直接体现，可有效区分功能状态差异，进一步完善细胞身份的定义。

案例应用：构建衰老小鼠肝脏单细胞代谢图谱，实现细胞亚型的代谢特征注释。

参考文献：Zhu ZJ, et al. Deep-coverage single-cell metabolomics enabled by ion mobility-resolved mass cytometry. nature methods, 2026, 23(3):585-595.

1.单细胞转录组学应用

通过拟时序分析，重建胚胎发育、器官发生、干细胞分化的连续细胞轨迹，捕捉转瞬即逝的过渡态、中间态细胞，定位分化关键节点与调控基因，为解析细胞命运决定机制提供重要支撑。

案例应用：整合流式分选、单细胞转录组学与功能验证数据，绘制人类造血干细胞早期分化的连续转录景观，揭示其不经过离散祖细胞阶段、直接沿多方向获得谱系偏向的分化模式，并鉴定调控谱系启动的关键基因模块。

参考文献：Velten L, et al. Human haematopoietic stem cell lineage commitment is a continuous process. nature cell biology, 2017, 19(4): 271-281.

2.单细胞代谢组学应用

代谢重编程是细胞命运转换的核心驱动力，单细胞代谢组学可在单细胞尺度追踪造血系统分化的代谢动态，揭示造血干细胞激活与谱系分化的关键代谢调控通路。

案例应用：利用单细胞代谢组绘制小鼠造血干细胞代谢图谱，揭示静息造血干细胞向激活态转换过程中氧化型磷酸戊糖途径显著上调，该代谢特征是调控干细胞干性维持与自我更新的重要代谢标志。

参考文献：Cao J, et al. Deciphering the metabolic heterogeneity of hematopoietic stem cells with single-cell resolution.Cell Metabolism, 2024, 36(1): 209–221.

1.单细胞转录组学应用

解析肿瘤内部主克隆与亚克隆的异质性结构，识别微量耐药细胞亚群，揭示肿瘤微环境中肿瘤细胞、免疫细胞与基质细胞的相互作用，并挖掘亚型特异性分子标志物与潜在治疗靶点。

案例应用：对肝细胞癌不同血管部位的循环肿瘤细胞(CTC)进行单细胞转录组测序，揭示CTC的空间转录异质性与免疫逃逸特征，为肿瘤转移风险评估和预后判断提供分子依据

参考文献：Sun YF, et al. Dissecting spatial heterogeneity and the immune-evasion mechanism of CTCs by single-cell RNA-seq in hepatocellular carcinoma. Nature Communications, 2021, 12(1): 4091.

2.单细胞代谢组学应用

代谢重编程是肿瘤的重要特征之一，单细胞代谢组学能够直观反映肿瘤细胞的代谢偏好、代谢表型差异及微环境中的代谢相互作用，为靶点发现提供功能层面信息。

案例应用：在三阴性乳腺癌中，通过单细胞代谢谱解析肿瘤微环境代谢互作，发现肿瘤细胞高表达MCT1摄取髓系细胞分泌的乳酸以维持增殖与免疫抑制微环境，抑制MCT1可显著增强免疫治疗效果

参考文献：Jiang YZ, et al. Comprehensive single-cell metabolic profiling identifies targets to sensitize triple-negative breast cancer to chemo-immunotherapy. Cell Reports Medicine, 2026, 7(3): 102659.

1.单细胞转录组学应用

对T细胞、B细胞、NK细胞、髓系细胞等免疫细胞进行精细分型，追踪感染、疫苗接种、肿瘤免疫等场景下免疫细胞的激活、分化与耗竭动态，分析TCR/BCR受体库多样性，助力解析自身免疫病相关的异常免疫亚群特征。

案例应用：对非小细胞肺癌患者肿瘤组织、正常组织及外周血中的CD45+免疫细胞进行单细胞转录组分析，鉴定出具有免疫抑制功能的细胞亚群，明确其特异性转录特征及调控基因，为肿瘤免疫治疗优化提供依据

参考文献：Zhao Y, et al. Single-Cell Transcriptomics of Immune Cells Reveal Diversity and Exhaustion Signatures in Non-Small-Cell Lung Cancer. Frontiers in Immunology, 2022, 13: 854724.

2.单细胞代谢组学应用

免疫细胞的功能状态与代谢重编程密切相关，效应T细胞以高糖酵解为主、记忆T细胞依赖脂肪酸氧化供能、巨噬细胞极化过程伴随明显代谢切换，单细胞代谢组可直接关联免疫细胞的代谢表型与功能状态，补充解析免疫调控机制。

案例应用：利用单细胞动态代谢组分析平台，结合同位素示踪技术，识别出肿瘤相关巨噬细胞的多种极化亚型，揭示肿瘤细胞与巨噬细胞间的代谢互作机制，明确巨噬细胞极化过程中三羧酸循环和氧化磷酸化的代谢特征变化

参考文献：Zhang Y, et al. Dynamic single-cell metabolomics reveals cell-cell interaction between tumor cells and macrophages. nature communications, 2025, 16(1): 4582.

1.单细胞转录组学应用

在神经退行性疾病、代谢性疾病、心血管疾病中，定位疾病易感的核心细胞亚群，解析不同细胞亚型的特异性损伤机制，筛选早于临床症状出现的微量病变细胞标志物，为疾病精准分型、预后评估及药物研发提供支撑。

案例应用：在阿尔茨海默病(AD)中，通过单细胞转录组鉴定出先发生损伤的特定神经元亚型，明确其转录表达异常特征，为AD的早期诊断和发病机制研究提供关键分子线索。

参考文献：Mathys H, et al. Single-cell transcriptomic analysis of Alzheimer’s disease. nature, 2019, 570(7761): 332–337.

2.单细胞代谢组学应用

单细胞代谢组学能够在单细胞水平直接捕捉细胞代谢特征，精准识别与疾病进展、耐药、转移相关的致病性细胞亚群，揭示其特异性代谢紊乱机制，并挖掘可用于早期预警、预后分层和精准干预的代谢标志物，从功能层面完善疾病机制解析，为精准医疗提供更贴近生理病理状态的依据。

案例应用：在结直肠癌研究中，利用单细胞代谢组技术对循环肿瘤细胞(CTC)进行代谢谱分析，发现并鉴定出一类具有高转移潜能的致病性CTC亚群，该亚群表现出谷胱甘肽代谢、氨基酸代谢及Warburg效应（糖酵解）显著上调的特征，具备更强的增殖、侵袭与体内成瘤转移能力。基于该亚群的4 种核心代谢物可有效预测肿瘤转移风险，为循环肿瘤细胞的功能分型、转移监测及精准抗转移治疗提供重要代谢依据。

参考文献：Zhang W, et al. Single-cell metabolic fingerprints discover a cluster of circulating tumor cells with distinct metastatic potential. nature communications, 2023, 14(1):2485.

无论是单细胞转录组学还是单细胞代谢组学，其研究目标围绕突破传统群体分析的局限，在单细胞精度下解析生命系统的复杂性。二者共同聚焦以下关键科学问题：

单细胞转录组学十余年的研究历程已充分证明：单细胞精度，是破解复杂生命系统的必要钥匙。它所解决的异质性、稀有细胞、动态过程、微环境互作等问题，为单细胞代谢组学提供了成熟的研究范式与应用场景。

对单细胞代谢组学研究者而言：无需从零探索应用方向——单细胞转录组学的成熟积累，为单细胞代谢组学研究提供了坚实支撑；而代谢组学更贴近细胞真实功能状态，能够与转录组学形成互补，共同揭示生命活动的完整机制。

从 "基因表达" 到 "代谢功能"，从 "计划" 到 "执行"，单细胞转录学与单细胞代谢学同频共振、协同升级，共同推动生命科学研究迈向新阶段。