Advanced single-cell RNA sequencing in tumor immunology

Abstract

Cancer immunotherapy is an innovative treatment approach that leverages the immune system to combat tumors, demonstrating significant therapeutic potential. In the past few years, single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) has made significant progress in the field of cancer immunotherapy, enabling us to understand the complexity of anti-tumor immune processes with unprecedented depth and precision, thereby facilitating the design of more effective immunotherapy strategies. This review aims to summarize the recent applications of advanced scRNA-seq technologies in tumor immunology. First, we outline the most representative scRNA-seq technologies with different technical principles, with a particular focus on single-cell T cell receptor sequencing. Next, we describe how scRNA-seq technology is applied to identify the cellular composition and phenotypes within the tumor microenvironment for the construction of immune cell atlas, and uncover key cell types and molecular mechanisms underlying treatment responses for developing novel immunotherapies. Finally, we address the current challenges and future prospects of scRNA-seq technology in tumor immunology.

Keywords

immunotherapy / single-cell RNA sequencing / T cell receptor / tumor immunology / tumor microenvironment

References

[1] F. Bray, M. Laversanne, H. Sung, J. Ferlay, R. L. Siegel, I. Soerjomataram, A. Jemal, CA Cancer J. Clin. 2024, 74, 229.

[2] M. El-Tanani, S. A. Rabbani, R. Babiker, I. Rangraze, S. Kapre, S. S. Palakurthi, A. M. Alnuqaydan, A. A. Aljabali, M. Rizzo, Y. El-Tanani, M. M. Tambuwala, Cancer Lett. 2024, 591, 216894.

[3] O. K. Dagher, R. D. Schwab, S. K. Brookens, A. D. Posey,, Cell 2023, 186, 1814.

[4] M. Wang, F. Yu, Y. Zhang, Mol. Cancer 2025, 24, 26.

[5] J. S. O’Donnell, M. W. L. Teng, M. J. Smyth, Nat. Rev. Clin. Oncol. 2018, 16, 151.

[6] M. Lopez de Rodas, M. Villalba-Esparza, M. F. Sanmamed, L. Chen, D. L. Rimm, K. A. Schalper, Nat. Rev. Clin. Oncol. 2025, 22, 163.

[7] Y. Simoni, M. H. Y. Chng, S. Li, M. Fehlings, E. W. Newell, Curr. Opin. Immunol. 2018, 51, 187.

[8] X. Xu, Q. Wen, T. Lan, L. Zeng, Y. Zeng, S. Lin, M. Qiu, X. Na, C. Yang, Chem. Sci. 2024, 15, 19225.

[9] F. Tang, C. Barbacioru, Y. Wang, E. Nordman, C. Lee, N. Xu, X. Wang, J. Bodeau, B. B. Tuch, A. Siddiqui, K. Lao, M. A. Surani, Nat. Methods 2009, 6, 377.

[10] D. Huang, N. Ma, X. Li, Y. Gou, Y. Duan, B. Liu, J. Xia, X. Zhao, X. Wang, Q. Li, J. Rao, X. Zhang, J. Hematol. Oncol. 2023, 16, 98.

[11] D. Ramskold, S. Luo, Y. C. Wang, R. Li, Q. Deng, O. R. Faridani, G. A. Daniels, I. Khrebtukova, J. F. Loring, L. C. Laurent, G. P. Schroth, R. Sandberg, Nat. Biotechnol. 2012, 30, 777.

[12] S. Picelli, O. R. Faridani, A. K. Bjorklund, G. Winberg, S. Sagasser, R. Sandberg, Nat. Protoc. 2014, 9, 171.

[13] M. Hagemann-Jensen, C. Ziegenhain, P. Chen, D. Ramskold, G. J. Hendriks, A. J. M. Larsson, O. R. Faridani, R. Sandberg, Nat. Biotechnol. 2020, 38, 708.

[14] E. Z. Macosko, A. Basu, R. Satija, J. Nemesh, K. Shekhar, M. Goldman, I. Tirosh, A. R. Bialas, N. Kamitaki, E. M. Martersteck, J. J. Trombetta, D. A. Weitz, J. R. Sanes, A. K. Shalek, A. Regev, S. A. McCarroll, Cell 2015, 161, 1202.

[15] A. M. Klein, L. Mazutis, I. Akartuna, N. Tallapragada, A. Veres, V. Li, L. Peshkin, D. A. Weitz, M. W. Kirschner, Cell 2015, 161, 1187.

[16] G. X. Zheng, J. M. Terry, P. Belgrader, P. Ryvkin, Z. W. Bent, R. Wilson, S. B. Ziraldo, T. D. Wheeler, G. P. McDermott, J. Zhu, M. T. Gregory, J. Shuga, L. Montesclaros, J. G. Underwood, D. A. Masquelier, S. Y. Nishimura, M. Schnall-Levin, P. W. Wyatt, C. M. Hindson, R. Bharadwaj, A. Wong, K. D. Ness, L. W. Beppu, H. J. Deeg, C. McFarland, K. R. Loeb, W. J. Valente, N. G. Ericson, E. A. Stevens, J. P. Radich, T. S. Mikkelsen, B. J. Hindson, J. H. Bielas, Nat. Commun. 2017, 8, 14049.

[17] F. Salmen, J. De Jonghe, T. S. Kaminski, A. Alemany, G. E. Parada, J. Verity-Legg, A. Yanagida, T. N. Kohler, N. Battich, F. van den Brekel, A. L. Ellermann, A. M. Arias, J. Nichols, M. Hemberg, F. Hollfelder, A. van Oudenaarden, Nat. Biotechnol. 2022, 40, 1780.

[18] X. Han, Z. Zhou, L. Fei, H. Sun, R. Wang, Y. Chen, H. Chen, J. Wang, H. Tang, W. Ge, Y. Zhou, F. Ye, M. Jiang, J. Wu, Y. Xiao, X. Jia, T. Zhang, X. Ma, Q. Zhang, X. Bai, S. Lai, C. Yu, L. Zhu, R. Lin, Y. Gao, M. Wang, Y. Wu, J. Zhang, R. Zhan, S. Zhu, H. Hu, C. Wang, M. Chen, H. Huang, T. Liang, J. Chen, W. Wang, D. Zhang, G. Guo, Nature 2020, 581, 303.

[19] T. M. Gierahn, M. H. Wadsworth,, T. K. Hughes, B. D. Bryson, A. Butler, R. Satija, S. Fortune, J. C. Love, A. K. Shalek, Nat. Methods 2017, 14, 395.

[20] K. Yin, M. Zhao, L. Lin, Y. Chen, S. Huang, C. Zhu, X. Liang, F. Lin, H. Wei, H. Zeng, Z. Zhu, J. Song, C. Yang, Small Methods 2022, 6, 2200341.

[21] Y. Luo, Y. Xia, D. Liu, X. Li, H. Li, J. Liu, D. Zhou, Y. Dong, X. Li, Y. Qian, C. Xu, K. Tao, G. Li, W. Pan, Q. Zhong, X. Liu, S. Xu, Z. Wang, R. Liu, W. Zhang, W. Shan, T. Fang, S. Wang, Z. Peng, P. Jin, N. Jin, S. Shi, Y. Chen, M. Wang, X. Jiao, M. Luo, W. Gong, Y. Wang, Y. Yao, Y. Zhao, X. Huang, X. Ji, Z. He, G. Zhao, R. Liu, M. Wu, G. Chen, L. Hong, D. Ma, Y. Fang, H. Liang, Q. Gao, Cell 2024, 187, 4905.

[22] I. C. Clark, K. M. Fontanez, R. H. Meltzer, Y. Xue, C. Hayford, A. May-Zhang, C. D'Amato, A. Osman, J. Q. Zhang, P. Hettige, J. S. A. Ishibashi, C. L. Delley, D. W. Weisgerber, J. M. Replogle, M. Jost, K. T. Phong, V. E. Kennedy, C. A. C. Peretz, E. A. Kim, S. Song, W. Karlon, J. S. Weissman, C. C. Smith, Z. J. Gartner, A. R. Abate, Nat. Biotechnol. 2023, 41, 1557.

[23] P. Datlinger, A. F. Rendeiro, T. Boenke, M. Senekowitsch, T. Krausgruber, D. Barreca, C. Bock, Nat. Methods 2021, 18, 635.

[24] Y. Li, Z. Huang, L. Xu, Y. Fan, J. Ping, G. Li, Y. Chen, C. Yu, Q. Wang, T. Song, T. Lin, M. Liu, Y. Xu, N. Ai, X. Meng, Q. Qiao, H. Ji, Z. Qin, S. Jin, N. Jiang, M. Wang, S. Shu, F. Zhang, W. Zhang, G. H. Liu, L. Chen, L. Jiang, Nat. Methods 2025, 22, 1199.

[25] S. Valkiers, N. de Vrij, S. Gielis, S. Verbandt, B. Ogunjimi, K. Laukens, P. Meysman, ImmunoInformatics 2022, 5, 100009.

[26] J. Garrido-Mesa, M. A. Brown, Nat. Rev. Rheumatol. 2025, 21, 157.

[27] S. E. Irac, M. S. F. Soon, N. Borcherding, Z. K. Tuong, Nat. Methods 2024, 21, 777.

[28] M. De Simone, G. Rossetti, M. Pagani, Front. Immunol. 2018, 9, 1638.

[29] C. S. Carlson, R. O. Emerson, A. M. Sherwood, C. Desmarais, M. W. Chung, J. M. Parsons, M. S. Steen, M. A. LaMadrid-Herrmannsfeldt, D. W. Williamson, R. J. Livingston, D. Wu, B. L. Wood, M. J. Rieder, H. Robins, Nat. Commun. 2013, 4, 2680.

[30] P. G. Adamopoulos, P. Tsiakanikas, I. Stolidi, A. Scorilas, BMC Genom. 2022, 23, 163.

[31] B. Howie, A. M. Sherwood, A. D. Berkebile, J. Berka, R. O. Emerson, D. W. Williamson, I. Kirsch, M. Vignali, M. J. Rieder, C. S. Carlson, H. S. Robins, Sci. Transl. Med. 2015, 7, 301ra131.

[32] A. Han, J. Glanville, L. Hansmann, M. M. Davis, Nat. Biotechnol. 2014, 32, 684.

[33] M. A. Turchaninova, O. V. Britanova, D. A. Bolotin, M. Shugay, E. V. Putintseva, D. B. Staroverov, G. Sharonov, D. Shcherbo, I. V. Zvyagin, I. Z. Mamedov, C. Linnemann, T. N. Schumacher, D. M. Chudakov, Eur. J. Immunol. 2013, 43, 2507.

[34] D. J. Munson, C. A. Egelston, K. E. Chiotti, Z. E. Parra, T. C. Bruno, B. L. Moore, T. A. Nakano, D. L. Simons, G. Jimenez, J. H. Yim, D. V. Rozanov, M. T. Falta, A. P. Fontenot, P. R. Reynolds, S. M. Leach, V. F. Borges, J. W. Kappler, P. T. Spellman, P. P. Lee, J. E. Slansky, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2016, 113, 8272.

[35] B. J. DeKosky, T. Kojima, A. Rodin, W. Charab, G. C. Ippolito, A. D. Ellington, G. Georgiou, Nat. Med. 2015, 21, 86.

[36] D. Zemmour, R. Zilionis, E. Kiner, A. M. Klein, D. Mathis, C. Benoist, Nat. Immunol. 2018, 19, 291.

[37] A. A. Tu, T. M. Gierahn, B. Monian, D. M. Morgan, N. K. Mehta, B. Ruiter, W. G. Shreffler, A. K. Shalek, J. C. Love, Nat. Immunol. 2019, 20, 1692.

[38] M. Singh, G. Al-Eryani, S. Carswell, J. M. Ferguson, J. Blackburn, K. Barton, D. Roden, F. Luciani, T. Giang Phan, S. Junankar, K. Jackson, C. C. Goodnow, M. A. Smith, A. Swarbrick, Nat. Commun. 2019, 10, 3120.

[39] E. Azizi, A. J. Carr, G. Plitas, A. E. Cornish, C. Konopacki, S. Prabhakaran, J. Nainys, K. Wu, V. Kiseliovas, M. Setty, K. Choi, R. M. Fromme, P. Dao, P. T. McKenney, R. C. Wasti, K. Kadaveru, L. Mazutis, A. Y. Rudensky, D. Pe'er, Cell 2018, 174, 1293.

[40] L. Pan, P. Parini, R. Tremmel, J. Loscalzo, V. M. Lauschke, B. A. Maron, P. Paci, I. Ernberg, N. S. Tan, Z. Liao, W. Yin, S. Rengarajan, X. Li, S. C. A. Consortium, Genome Biol. 2024, 25, 104.

[41] C. Zheng, L. Zheng, J. K. Yoo, H. Guo, Y. Zhang, X. Guo, B. Kang, R. Hu, J. Y. Huang, Q. Zhang, Z. Liu, M. Dong, X. Hu, W. Ouyang, J. Peng, Z. Zhang, Cell 2017, 169, 1342.

[42] Y. Chen, D. Wang, Y. Li, L. Qi, W. Si, Y. Bo, X. Chen, Z. Ye, H. Fan, B. Liu, C. Liu, L. Zhang, X. Zhang, Z. Li, L. Zhu, A. Wu, Z. Zhang, Cancer Cell 2024, 42, 1268.

[43] Y. Yang, X. Chen, J. Pan, H. Ning, Y. Zhang, Y. Bo, X. Ren, J. Li, S. Qin, D. Wang, M. M. Chen, Z. Zhang, Cell 2024, 187, 4790.

[44] X. Sun, X. Teng, C. Liu, W. Tian, J. Cheng, S. Hao, Y. Jin, L. Hong, Y. Zheng, X. Dai, L. Wu, L. Liu, X. Teng, Y. Shi, P. Zhao, W. Fang, Y. Shi, X. Bao, Adv. Sci. 2024, 11, 2308892.

[45] E. Fitzsimons, D. Qian, A. Enica, K. Thakkar, M. Augustine, S. Gamble, J. L. Reading, K. Litchfield, Cancer Cell 2024, 42, 1784.

[46] M. De Zuani, H. Xue, J. S. Park, S. C. Dentro, Z. Seferbekova, J. Tessier, S. Curras-Alonso, A. Hadjipanayis, E. I. Athanasiadis, M. Gerstung, O. Bayraktar, A. Cvejic, Nat. Commun. 2024, 15, 4388.

[47] Z. Chen, L. Zhou, L. Liu, Y. Hou, M. Xiong, Y. Yang, J. Hu, K. Chen, Nat. Commun. 2020, 11, 5077.

[48] N. D. Mathewson, O. Ashenberg, I. Tirosh, S. Gritsch, E. M. Perez, S. Marx, L. Jerby-Arnon, R. Chanoch-Myers, T. Hara, A. R. Richman, Y. Ito, J. Pyrdol, M. Friedrich, K. Schumann, M. J. Poitras, P. C. Gokhale, L. N. Gonzalez Castro, M. E. Shore, C. M. Hebert, B. Shaw, H. L. Cahill, M. Drummond, W. Zhang, O. Olawoyin, H. Wakimoto, O. Rozenblatt-Rosen, P. K. Brastianos, X. S. Liu, P. S. Jones, D. P. Cahill, M. P. Frosch, D. N. Louis, G. J. Freeman, K. L. Ligon, A. Marson, E. A. Chiocca, D. A. Reardon, A. Regev, M. L. Suva, K. W. Wucherpfennig, Cell 2021, 184, 1281.

[49] Y. Cai, Z. Lu, C. Chen, Y. Zhu, Z. Chen, Z. Wu, J. Peng, X. Zhu, Z. Liu, B. Li, M. Zhang, J. Huang, Y. Li, Y. Liu, Q. Ma, C. He, S. Chen, W. Tian, L. Fan, C. Ning, H. Geng, B. Xu, H. Li, X. Zhu, J. Fang, X. Wang, S. Zhang, M. Jin, C. Huang, X. Yang, J. Tian, X. Miao, Nat. Immunol. 2024, 25, 1959.

[50] G. Oliveira, K. Stromhaug, N. Cieri, J. B. Iorgulescu, S. Klaeger, J. O. Wolff, S. Rachimi, V. Chea, K. Krause, S. S. Freeman, W. Zhang, S. Li, D. A. Braun, D. Neuberg, S. A. Carr, K. J. Livak, D. T. Frederick, E. F. Fritsch, M. Wind-Rotolo, N. Hacohen, M. Sade-Feldman, C. H. Yoon, D. B. Keskin, P. A. Ott, S. J. Rodig, G. M. Boland, C. J. Wu, Nature 2022, 605, 532.

[51] Z. Yang, H. Tian, X. Chen, B. Li, G. Bai, Q. Cai, J. Xu, W. Guo, S. Wang, Y. Peng, Q. Liang, L. Xue, S. Gao, Nat. Commun. 2024, 15, 9097.

[52] Y. Liu, Z. Xun, K. Ma, S. Liang, X. Li, S. Zhou, L. Sun, Y. Liu, Y. Du, X. Guo, T. Cui, H. Zhou, J. Wang, D. Yin, R. Song, S. Zhang, W. Cai, F. Meng, H. Guo, B. Zhang, D. Yang, R. Bao, Q. Hu, J. Wang, Y. Ye, L. Liu, J. Hepatol. 2023, 78, 770.

[53] J. Hu, L. Zhang, H. Xia, Y. Yan, X. Zhu, F. Sun, L. Sun, S. Li, D. Li, J. Wang, Y. Han, J. Zhang, D. Bian, H. Yu, Y. Chen, P. Fan, Q. Ma, G. Jiang, C. Wang, P. Zhang, Genome Med. 2023, 15, 14.

[54] A. R. Cillo, C. Cardello, F. Shan, L. Karapetyan, S. Kunning, C. Sander, E. Rush, A. Karunamurthy, R. C. Massa, A. Rohatgi, C. J. Workman, J. M. Kirkwood, T. C. Bruno, D. A. A. Vignali, Cell 2024, 187, 4373.

[55] H. Huang, L. Yu, H. Weng, W. Zhang, Z. Wang, L. Wang, H. Huang, J. Hematol. Oncol. 2024, 17, 120.

[56] Y. Shapir Itai, O. Barboy, R. Salomon, A. Bercovich, K. Xie, E. Winter, T. Shami, Z. Porat, N. Erez, A. Tanay, I. Amit, R. Dahan, Cell 2024, 187, 375.

[57] C. X. Huang, X. M. Lao, X. Y. Wang, Y. Z. Ren, Y. T. Lu, W. Shi, Y. Z. Wang, C. Y. Wu, L. Xu, M. S. Chen, Q. Gao, L. Liu, Y. Wei, D. M. Kuang, Cancer Cell 2024, 42, 2082.

[58] J. Wienke, L. L. Visser, W. M. Kholosy, K. M. Keller, M. Barisa, E. Poon, S. Munnings-Tomes, C. Himsworth, E. Calton, A. Rodriguez, R. Bernardi, F. van den Ham, S. R. van Hooff, Y. A. H. Matser, M. L. Tas, K. P. S. Langenberg, P. Lijnzaad, A. L. Borst, E. Zappa, F. J. Bergsma, J. G. M. Strijker, B. M. Verhoeven, S. Mei, A. Kramdi, R. Restuadi, A. Sanchez-Bernabeu, A. M. Cornel, F. C. P. Holstege, J. C. Gray, G. A. M. Tytgat, M. A. Scheijde-Vermeulen, M. Wijnen, M. P. Dierselhuis, K. Straathof, S. Behjati, W. Wu, A. J. R. Heck, J. Koster, S. Nierkens, I. Janoueix-Lerosey, R. R. de Krijger, N. Baryawno, L. Chesler, J. Anderson, H. N. Caron, T. Margaritis, M. M. van Noesel, J. J. Molenaar, Cancer Cell 2024, 42, 283.

[59] M. S. F. Ng, I. Kwok, L. Tan, C. Shi, D. Cerezo-Wallis, Y. Tan, K. Leong, G. F. Calvo, K. Yang, Y. Zhang, J. Jin, K. H. Liong, D. Wu, R. He, D. Liu, Y. C. Teh, C. Bleriot, N. Caronni, Z. Liu, K. Duan, V. Narang, I. Ballesteros, F. Moalli, M. Li, J. Chen, Y. Liu, L. Liu, J. Qi, Y. Liu, L. Jiang, B. Shen, H. Cheng, T. Cheng, V. Angeli, A. Sharma, Y. H. Loh, H. L. Tey, S. Z. Chong, M. Iannacone, R. Ostuni, A. Hidalgo, F. Ginhoux, L. G. Ng, Science 2024, 383, eadf6493.

[60] D. Kirschenbaum, K. Xie, F. Ingelfinger, Y. Katzenelenbogen, K. Abadie, T. Look, F. Sheban, T. S. Phan, B. Li, P. Zwicky, I. Yofe, E. David, K. Mazuz, J. Hou, Y. Chen, H. Shaim, M. Shanley, S. Becker, J. Qian, M. Colonna, F. Ginhoux, K. Rezvani, F. J. Theis, N. Yosef, T. Weiss, A. Weiner, I. Amit, Cell 2024, 187, 149.

[61] S. Lin, Y. Liu, M. Zhang, X. Xu, Y. Chen, H. Zhang, C. Yang, Lab Chip 2021, 21, 3829.

[62] M. Stoeckius, C. Hafemeister, W. Stephenson, B. Houck-Loomis, P. K. Chattopadhyay, H. Swerdlow, R. Satija, P. Smibert, Nat. Methods 2017, 14, 865.

[63] D. A. Cusanovich, R. Daza, A. Adey, H. A. Pliner, L. Christiansen, K. L. Gunderson, F. J. Steemers, C. Trapnell, J. Shendure, Science 2015, 348, 910.

[64] W. Chen, O. Guillaume-Gentil, P. Y. Rainer, C. G. Gabelein, W. Saelens, V. Gardeux, A. Klaeger, R. Dainese, M. Zachara, T. Zambelli, J. A. Vorholt, B. Deplancke, Nature 2022, 608, 733.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). Interdisciplinary Medicine published by Wiley-VCH GmbH on behalf of Nanfang Hospital, Southern Medical University.