DNA 甲基化（5- 甲基胞嘧啶）是高等生物基因组中最重要的DNA 表观修饰。甲基化组检测通常需要数万至数十万个细胞。由于每个单细胞基因组只有2 个分子拷贝，单细胞DNA 甲基化组极具挑战性，过去观点认为几乎无法获得单个细胞的甲基化组信息。麻省理工学院和哈佛大学Broad 研究所的Meissner 研究组与英国剑桥Babraham 研究所的Kelsey 研究组于2011 年报道了他们优化的甲基化组技术，最低只能检测到60 个细胞。汤富酬课题组对技术进行了改进，尤其是在多个方面调整和优化了反应体系， 将常规甲基化组技术的前五个步骤集成至单个反应管中，从而极大地减少了信息丢失。另外，通过掺入携载核酸等手段，尽力避免核酸由于非特异性静电吸附而丢失，并通过调整酶反应体系提高效率。这些改进成功建立了单细胞甲基化组技术，实现了技术与观念上的突破（Genome Research, 2013）。值得一提的是，这也是国际上第一个单细胞表观修饰组高通量测序技术。
人类早期胚胎发育（卵子受精后最初5 至6 天的发育过程），由于细胞极其珍稀，一直是生命组学研究的盲区。汤富酬课题组与乔杰课题组合作，利用该高灵敏测序技术在国际上首次解析了人类早期胚胎的DNA 甲基化调控网络。主要发现有：（1）在受精之前，精子和卵细胞中的DNA 甲基化程度都很高；而在受精之后，父母的表观遗传记忆都被大规模擦除，到植入前的囊胚阶段， 胚胎的DNA 甲基化水平降到最低点。但是在这一全基因组范围的DNA 去甲基化过程中，标记着印记基因的DNA 甲基化得以精确维持和保留；（2）在受精之前，精子基因组DNA 甲基化程度显著高于卵细胞，而在受精之后来自精子的父源DNA 去甲基化的速度快于来自卵细胞的母源DNA。到受精卵晚期，父源DNA 甲基化程度已经低于母源DNA 的甲基化程度；（3）受精卵基因组DNA 去甲基化过程呈现强烈的异质性，在相同发育阶段的不同受精卵中，基因组DNA 的甲基化程度有显著差异；（4）在人类早期胚胎DNA 甲基化组的大规模去甲基化过程中，相比于进化上更年轻、更活跃的转座子，进化上更古老的转座子重复序列上的DNA 去甲基化程度更彻底，说明人类早期胚胎在植入前的发育过程中巧妙地在擦去表观遗传记忆和抑制转座子重复序列的转座活性之间取得了平衡。（5）首次发现在人类卵母细胞中的非CpG 位点上存在相对较高的DNA 甲基化修饰，并且发现基因区的非CpG 位点的甲基化程度跟相应基因的表达成正相关关系，说明非CpG 位点的甲基化可能参与调控基因转录。该成果发表于2014 年《自然》杂志（Nature, 2014）。
这一系列研究工作开拓了单细胞表观基因组学研究领域，为人们提供了一个全面分析人类早期胚胎DNA 甲基化调控网络的研究框架，并有助于改进辅助生殖技术的安全性评估和早期胚胎发育异常疑难病例的诊治。
