这张人类细胞如何分工的图谱带来了新的理解

原标题:人类细胞如何分工这个图集带来了新的理解

世界上第一份人类细胞图谱最近发布了。科学家第一次从单个细胞水平上全面分析了人类胚胎和成人阶段的细胞类型，并定义了许多以前未知的细胞类型。

细胞是生命的基本单位。最近，浙江大学医学院的郭团队宣布，他们已经成功绘制了世界上第一张人体细胞图。这项发表在国际期刊《自然》上的研究，是从单个细胞水平对人类胚胎和成人阶段细胞类型的首次全面分析。它系统地绘制了涵盖八个主要系统的人类细胞图，建立了一个包含70多万个单细胞的转录组数据库，确定了人体内100多个细胞类别和800个细胞亚类，研究小组还建立了一个人类细胞蓝图网站。

到目前为止，人类细胞图谱的全球研究计划是什么？人类细胞图与人类基因组图相关吗？绘制人类细胞图有哪些挑战和困难？《科技日报》记者采访了相关专家。

用数字矩阵描述每一个细胞的特征

郭曾介绍说，人体细胞图谱是人体细胞的数字化。它用数字矩阵描述每个细胞的特征，并对它们进行系统分类。郭说:“我们已经定义了许多以前未知的细胞类型，并发现了一些特殊的表达模式。例如，不同成人的上皮细胞、内皮细胞和基质细胞似乎在组织中发挥免疫细胞的作用。这些非全职免疫细胞也在兼职做免疫工作。我们认为成人非免疫细胞的广泛免疫激活是人类区域免疫的重要调节机制。”

目前，世界上仍在进行哪些人类细胞图谱的研究项目？温州医科大学遗传学研究所教授吴金玉在接受记者采访时说，世界上有数百个细胞定位项目。从2017年开始，世界开始大规模地相互合作。中国学者也积极参与，不断涌现出新的成果。

例如，2018年，人类发育细胞图谱的研究取得了进展。许多疾病源于人体的早期发育。详细了解发展过程是解释人类健康和疾病的关键。来自韦尔科姆基金会桑格研究所和纽卡斯尔大学的研究人员从超过25万个发育中的人类组织细胞中收集了基因数据。这些数据将显示细胞中哪些基因被激活，并有助于解释发育过程中的重要过程。来自瑞典卡罗林斯卡学院、斯德哥尔摩大学和瑞典皇家理工学院的科学家合作研究了大脑、肺和心脏的发育，以及妊娠3个月后的胚胎发育，以了解人类的正常发育和对发育障碍的深入了解。

美国癌症协会组织委员会联合主席、韦尔科姆基金会桑格研究所细胞遗传学主任萨拉·古田认为，人类发展细胞绘图项目将改变我们对人类发展的理解，并期望这一基础研究将提供广泛的重要见解，包括更好地理解流产和遗传发育障碍的原因，以及理解儿童癌症的发育起源和成年人癌细胞使用的发育途径。

可鉴别疾病有关异常细胞类型

每个细胞携带一组生物体基因组，通过基因序列图，研究者有机会发现与各种疾病和表型相关的“编码”，从而加快对疾病发生发展的了解，有助于疾病的诊断和个体化治疗。因此，人类基因组计划被命名为“生命登月计划”，旨在破译分布在人类细胞核中23对染色体上的约30亿个碱基和约2万个基因。

2000年6月，完成了人类基因组的绘制，并最终绘制了类似于化学元素周期表的人类基因组的精确地图。自2006年起，深圳启动了“炎黄计划”研究项目，即对大样本的白、黄、黑种族进行全基因组测序和序列分析比较，探索人类基因组在不同人群中的多态性分布和变异规律。2008年11月，“黄艳计划”中国基因组图谱完成。

“通过这些基因图谱，我们发现不同人的基因组序列非常相似。对同一个人来说，来自不同位置的细胞的基因组序列更相似，有时完全相同，或者几乎没有序列差异。”吴金玉说，通过绘制人类细胞图，可以揭示每个细胞在特定时间和空间的基因表达状况。也许在未来，临床医生可以识别异常细胞类型和来源，并实现各种疾病的早期诊断。

例如，郭的团队通过跨时间、组织和物种的细胞图谱分析揭示了决定哺乳动物细胞命运的普遍机制:干细胞和祖细胞的转录状态是混合和随机的，而分化和成熟细胞的转录状态变得清晰和稳定，即细胞分化经历了从混沌到有序的发展过程。

郭说:“我们的工作在排序深度上有一定的局限性。完美的人类细胞图谱还应该整合空间信息、多组数据和人口分析，这需要全世界科学家的共同努力。”

单细胞测序技术是绘制图谱的关键

吴金玉告诉记者，成功绘制人类细胞图谱的核心技术是单细胞测序技术。

过去，科学家主要使用显微镜和流动分析技术，根据细胞的某些表型特征，对自然界中不同物种的细胞进行分类和识别。这些表型特征的选择通常会引入更多的人的主观性。单细胞转录组测序技术是近年来发展迅速的生命科学前沿技术。它将转录组测序应用于单个细胞水平，以识别细胞类型、功能、特定细胞状态的变化，在单个细胞水平揭示细胞中各种基因的表达状态，并反映细胞间的异质性。

吴金玉表示，从目前情况来看，单细胞测序技术仍面临一些问题。首先，举例来说，一滴血，有数百万个细胞。对于器官和组织来说，所有种类的细胞都是紧密结合在一起的。如何一个接一个地分离这些细胞而不造成大量细胞损失是第一个难题。其次，如此多的细胞需要进行深度测序，这非常昂贵。第三，如何高效地挖掘高通量测序产生的海量数据是一个非常大的挑战。目前，由于样品制备复杂、测序成本高、周期长，与直接临床应用仍有一定差距。

单细胞测序技术在肿瘤、发育生物学、微生物学、神经科学等领域发挥着重要作用，其应用价值可以通过涡虫这一有趣的例子来证明。涡虫是一种比苹果种子小的生物。虽然它很小，但它有一种其他动物羡慕的能力。如果一只大菱鲆被切成几段，每一段都会重新长成一只完整的大菱鲆。早在几十年前，研究人员就知道一组被称为新玻璃的非特异性干细胞正在帮助涡虫再生，但不清楚哪个新玻璃细胞会发挥作用。美国密苏里州堪萨斯市斯塔尔斯医学研究所的阿列航德罗·桑切斯·阿尔瓦拉多利用单细胞测序技术成功分离出了被称为新二类亚型(Nb2)的细胞类型。当切割涡虫并观察伤口发展时，发现Nb2细胞数量迅速增加，愈合涡虫上的伤口。将死的大菱鲆注射了单一的Nb2细胞，Nb2细胞大量增殖和分化以拯救将死的大菱鲆。

吴金玉说，现在说像涡虫的Nb2细胞类型这样的重要发现可以用于治疗、器官再生和人体器官的重建还为时过早，“但是发现自然再生的机制是一个好的开始”。使用单细胞测序技术绘制细胞图可能有助于我们打开人类出生、衰老、疾病和死亡的“黑匣子”，导致许多重大临床发现。(记者李贺)