## 단일 세포 RNA-seq (scRNA‑seq) 개요
**scRNA‑seq**는 개별 세포의 전사체(transcriptome)를 측정하여, 세포 간 유전자 발현 이질성과 세포 상태 변화를 분석하는 강력한 기술입니다. 주로 세포 유형 동정, 분화 궤적 분석, 세포 간 상호작용 연구 등에 활용됩니다.
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## 1. 원리 및 핵심 개념
1. **세포 분리(Cell Isolation)**
- **Microfluidics**: 10x Genomics Chromium, Fluidigm C1
- **Droplet-based**: Drop‑seq, inDrop
- **Plate-based**: Smart‑seq2/3
2. **바코딩 & 라이브러리 제작**
- **세포 바코드(Cell barcode)**: 각 세포별 고유 식별자
- **UMI (Unique Molecular Identifier)**: PCR 증폭 편향 보정
- **역전사(Reverse transcription)** → **PCR 증폭** → **어댑터 부착**
3. **시퀀싱**
- Illumina paired-end 또는 single-end
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## 2. 실험 프로토콜 개요
1. **시료 전처리**: 조직/세포 현탁 → 살아 있는 세포 분리 및 세포수 측정
2. **세포 캡처 & 바코딩**: Microfluidic chip 또는 droplet에 세포+비드(바코드) 결합
3. **라이브러리 구성**: 역전사 → cDNA 증폭 (UMI 적용) → 라이브러리 QC (Bioanalyzer 등)
4. **시퀀싱**: Illumina NovaSeq, NextSeq 등으로 50–150 bp 읽기
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## 3. 데이터 분석 파이프라인
### 3.1 전처리 및 QC
- **Read Processing**: `Cell Ranger`, `kallisto|bustools`, `STARsolo`
- **QC 메트릭**: 총 UMI 수, 발현 유전자 수, 미토콘드리아 유전자 비율
- **저품질 세포 필터링**: UMI < 500, 유전자 수 < 200, mt% > 10%
### 3.2 정규화 & 배치 보정
- **정규화**: CPM/TPM, 로그 변환 (`Seurat::NormalizeData`, `scanpy.pp.normalize_total`)
- **배치 효과 제거**: Harmony, Seurat 통합(CCA), BBKNN, MNN
### 3.3 차원 축소 & 클러스터링
- **고변이 유전자 선택**: HVG 선정 (`FindVariableFeatures`, `scanpy.pp.highly_variable_genes`)
- **차원 축소**: PCA → UMAP/t‑SNE
- **그래프 기반 클러스터링**: Louvain, Leiden
### 3.4 세포 타입 주석(Cell Annotation)
- **마커 유전자**: 클러스터별 marker 발굴 (`FindAllMarkers`, `scanpy.tl.rank_genes_groups`)
- **자동 주석**: SingleR, scCATCH, CellTypist
### 3.5 하위 분석(Optional)
- **차등 발현(DE) 분석**: Wilcoxon, MAST
- **분화 궤적 분석**: Monocle3, Slingshot, PAGA
- **세포–세포 상호작용**: CellPhoneDB, NicheNet, CellChat
- **유전자 세트 분석**: GSEA, GO/KEGG enrichment
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## 4. 주요 도구 비교
|단계|Seurat|Scanpy|Monocle3|
|---|---|---|---|
|전처리 & QC|✔︎|✔︎|기본 지원|
|정규화|CPM, 로그 변환|total counts, 로그|크기요인 기반|
|배치 보정|CCA, Harmony|BBKNN, Harmony|지원 제한적|
|클러스터링|Louvain/Leiden|Louvain/Leiden|Leiden/Cluster|
|차원 축소|PCA, UMAP, t‑SNE|PCA, UMAP, t‑SNE|UMAP, DDRTree|
|분화 궤적|Slingshot 연동|PAGA|Monocle3 기본|
|상호작용 분석|CellPhoneDB, NicheNet|CellChat 연동|지원 제한적|
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## 5. 응용 사례
- **발달 생물학**: 배아 발달 시기별 세포 분화 궤적 분석
- **종양 이질성**: 암 조직 내 종양세포 및 면역세포 클러스터 규명
- **면역학**: 면역세포 활성화 상태 및 사이토카인 네트워크 탐색
- **재생의학**: 줄기세포 분화 및 재생 과정에서의 전사체 동역학 연구
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## 6. 참고 문헌
1. Zheng GX et al., _Massively parallel digital transcriptional profiling of single cells_, Nature Communications, 2017.
2. Stuart T et al., _Comprehensive Integration of Single-Cell Data_, Cell, 2019.
3. Wolf FA et al., _Scanpy: large-scale single-cell gene expression data analysis_, Genome Biology, 2018.