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全球首个人类细胞图谱面世

首个人类细胞图谱的问世,将如何帮助我们理解人体细胞的生长规律?又将如何改善人们对癌症等疾病的理解、诊断和治疗?

《中国经济周刊》记者  陈一良 | 杭州报道

(本文刊发于《中国经济周刊》2020年第8期)

获得2002年诺贝尔生理学或医学奖的英国生物学家约翰·萨尔斯顿(John Sulston),曾连续18个月用光学显微镜观察线虫的生长发育,并每隔5分钟勾勒一幅观察图,他绘制的图谱记录和解释了线虫组织中细胞分裂和分化的过程。

根据这些图及其他大量信息,萨尔斯顿等人描绘了迄今为止多细胞生物种类中最为完整的一个细胞谱系图,浓缩了线虫近千个细胞的命运。

随着技术的进步和认知的累积,科学家对细胞的研究对象,从动物界转向了人类自身,并采用最前沿的分子生物学技术。

3月26日,浙江大学郭国骥教授团队在国际顶级杂志《自然》上发布题为《Construction of a Human Cell Landscape at Single-cell Level》的重大研究成果,宣布绘制出首个人类细胞图谱。

该项目利用自主研发的单细胞分析平台,通过高通量测序技术,系统性地绘制了跨越胚胎和成年两个时期,涵盖八大系统的人类细胞图谱,建立了70多万个单细胞的数据库、鉴定了100余种人体细胞大类和800余种细胞亚类。研究团队还搭建了人类细胞蓝图网站。

细胞是生命的基本单位,人体中约有37万亿个细胞。它们通过分裂、生长,最终形成不同细胞类型,进而形成人体的各种组织。这些组织汇聚在一起就形成了人体的器官,例如心、肺、脑和肝脏。

首个人类细胞图谱的问世,将如何帮助我们理解人体细胞的生长规律?又将如何改善人们对癌症等疾病的理解、诊断和治疗?

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人体102种细胞大类图谱

人体细胞数字化

人类细胞图谱(Human Cell Atlas,简称HCA)是生命科学领域近年来兴起的国际大科学计划,被认为堪比“人类基因组计划”。

该计划的基本目标是采用特定的分子表达谱来确定人体的所有细胞类型,并将此类信息与经典的细胞空间位置和形态的描述连接起来。该计划的终极目标是确定人体中每个细胞的空间位置;通过细胞谱系确定在人的一生中每一时刻出现过的每个细胞;根据健康状态、基因型、生活方式和外界环境的不同,对每一个个体细胞图谱进行注释。

郭国骥认为,人类细胞图谱就是人体细胞的数字化,首个人类细胞图谱是人类细胞图谱计划里非常重要的阶段性成果,构建了人类细胞图谱的基本框架。

“这项工作概括地说就是人体细胞数字化。我们能用数字矩阵描述每一个细胞的特征,并对它们进行系统性分类。我们定义了许多之前未知的细胞种类,还发现了一些特殊的表达模式。”

通过这张图谱,郭国骥团队发现,多种成人的上皮、内皮和基质细胞在组织中似乎扮演着免疫细胞的角色。

《Construction of a Human Cell Landscape at Single-cell Level 》一文的作者之一,杭州瑞普基因科技有限公司(简称“瑞普基因”)资深科学家林锐博士向《中国经济周刊》记者表示,“首个人类细胞图谱搭建起了一个研究架构,是迈向HCA计划的一个里程碑式的成果,研究的方法、思路都可供业内借鉴,绘制图谱过程中形成的数据库,业内也可以共享,同行们还可以根据自己的特长和兴趣在图谱的基础上展开进一步研究。”

业内人士认为,此前的人类单细胞研究多是从某类组织或有特定标志物的细胞入手,而首个人类细胞图谱的问世,意味着研究对象的进一步具体化和完整化。

林锐评价,首个人类细胞图谱的绘制不但完成了大量基础性工作,也有不少细节上的亮点。

“在绘制人类细胞图谱的过程中,发现了不少突破业界的基础认知,比如在人体血管内皮细胞上发现类似免疫细胞的基因表达,但目前还不知道这对免疫治疗等方面的工作会有什么样的作用,有待后期进一步研究。”林锐说。

对于首张人类细胞图谱的局限性,郭国骥并不回避。

“我们的工作在测序深度上存在一定局限性,但是在跨组织和跨物种的数据可比性上有较大优势。完美版的人类细胞图谱还应该整合空间信息、多组学数据和人群分析,这需要全世界科学家的共同努力。”郭国骥说。

现年37岁的郭国骥是浙江大学医学院干细胞与再生医学中心教授、博士生导师,浙江大学附属第一医院双聘教授,浙江大学医学院干细胞与再生医学中心副主任,浙江大学血液学研究所副所长。

2018年2月23日,郭国骥率领的团队在国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)发表学术论文,在世界范围内构建了第一张哺乳动物细胞图谱。其团队对小鼠近50种器官组织的40余万个单细胞进行了系统性的单细胞转录组分析,构建了首个哺乳动物细胞图谱。

该图谱中涵盖了哺乳动物体内的各种主要细胞类型,并对每一种器官内的组织细胞亚型、基质细胞亚型、血管内皮细胞亚型和免疫细胞亚型进行了详细的描述。

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81-2 近日,浙江大学郭国骥教授团队在《自然》杂志上发布重大研究成果,宣布绘制出首个人类细胞图谱,包括瑞普基因在内的多家企业参与其中。图片来源:受访者提供

近日,浙江大学郭国骥教授团队在《自然》杂志上发布重大研究成果,宣布绘制出首个人类细胞图谱,包括瑞普基因在内的多家企业参与其中。图片来源:受访者提供

测序技术是关键

自从人类基因组计划完成之后,我们初步掌握了“遗传密码”,但仍未能一窥自己的细胞图谱。过去,科学家主要利用显微镜和流式分析等技术,依靠若干主观选取的表型特征对不同物种的细胞进行分类和鉴定。

近年来,单细胞测序等新技术的出现和快速发展,让科学家对细胞的观测能力进入全新的阶段。在新技术出现之前,传统的测序技术只能“看”到成群的细胞,单个细胞的特异性表现容易被忽略。单细胞测序技术的出现对传统的细胞认知体系带来了革命性的变化,并能够对单个细胞内高丰度的基因转录物质进行无差别的分析,从而建立一个普适性的细胞分类系统。

郭国骥团队自主搭建了一套完全国产化的Microwell-seq高通量单细胞测序平台。利用微孔矩阵、分子标记和扩增技术,高通量、高精度地实现单细胞水平分析,解决了传统测序中单个细胞核酸物质少、容易丢失、分析成本高的难题。

“以往分析一个细胞需要100元人民币,而现在我们所研制的平台只需要1元钱,而且精度比美国目前最先进的设备还要高。”郭国骥说。

基于自主研发的单细胞分析平台,郭国骥团队对60种人体组织样品和7种细胞培养样品进行了高通量单细胞转录组测序。

林锐说,单细胞测序的第一步是要把单个细胞分离开来,第二步是将细胞RNA转换成可以测序的DNA,最后一步是对DNA进行高质量测序。“在首个人类细胞图谱绘制的过程中,包括瑞普基因在内的多家企业与郭国骥教授团队展开深入合作,协助团队进行研究工作,特别是高质量测序工作,以加速研究进程,为首个人类细胞图谱的问世做出了贡献。”林锐说。

林锐介绍,高质量的单细胞测序需要强大的设备支持。从2015年开始,瑞普基因在测序仪器方面投入巨资采购设备,其中HISEQ X测序仪单套设备价格就超过1000万美元,公司全部测序仪的维护费用每年超过500万元,国内仅有瑞普基因等少数几家企业拥有高通量的单细胞检测能力。

瑞普基因建立了基于NGS的单细胞测序技术,可以一次性对高达上万个细胞进行独立的测序分析。林锐认为,国内相关企业数量仍然偏少,“目前单细胞领域的研究还没有临床应用,但未来的应用一定会非常普及,前景广阔,这就像10年前的基因检测研究一样,极具潜力。”

瑞普基因成立于2014年,是国家发改委批复的首批基因检测技术应用示范中心,同时也获得了国家卫健委(原国家卫计委)认证的医学检验实验室资质和美国病理学家学会(CAP)认证的实验室资质,并且多次满分通过了国家卫健委(原卫生部)临检中心多项基因检测室间质评。

精准医疗可期

自2015年1月20日美国时任总统奥巴马在国情咨文中提出“精准医学计划”后,“精准医疗”成为全球医学界的热门话题。所谓精准医学,就是通过基因测序和大数据分析,了解基因序列以及疾病发生、发展、治疗和预后的相关性,做到个性化的治疗和预防。

据林锐和瑞普基因研发经理濮悦博士介绍,每个细胞都携带有机体的一套基因组,如果有了基因序列图谱,就有可能从中找到与各种疾病相关的“密码”,加快对疾病发生、发展的理解,有助于疾病的诊断和个体化治疗,因此,人类基因组计划有着“生命登月计划”之称。

2000年6月,人类基因组草图的绘制工作完成,并最终绘制了一张类似化学元素周期表的人类基因组精确图谱。

对于此次人类细胞图谱的问世,业内人士认为,未来临床医生可以通过细胞图谱数据的比较,来鉴别异常的细胞状态和起源,研究方法将对人体正常与疾病细胞状态的鉴定带来深远影响。

“我们现在建立的是正常细胞的单细胞转录组的数据库,可以用于再生医学种子细胞的鉴定。未来如推广到疾病细胞图谱,便有可能运用到疾病的单细胞水平诊断上。细胞图谱的数据对于理解疾病的发生会有重要意义,但临床治疗方面的应用尚需要更多的积累。”郭国骥说。

林锐也认为,人类细胞图谱对研究生长发育问题、癌症治疗问题都将发挥基础性的作用,“这个图谱描绘的是正常的细胞状况,如果将癌症细胞和这个图谱进行对比,就能发现一些问题,这显然能够为治疗诊断带来提示,未来单细胞测序有望给免疫治疗做一个精准治疗的指导。”

人类细胞图谱的问世对使用“细胞疗法”来重新产生人体受损组织或将发挥巨大作用。比如帕金森,这种疾病主要由于大脑持续缺失能够产生某种多巴胺的神经元而导致的。未来的一种治疗可能性是在实验室生产能够产生特定多巴胺的细胞,再将它们注入人脑。

对于未来人类细胞图谱在精准医疗领域的应用,林锐颇为看好。

“就像10多年前的基因检测研究,当时基因检测价格高,技术也不普及,现在技术进步已经很明显,而且每年都会有新的变化,成本大大降低了,操作也越来越规范。在目前癌症病人的靶向治疗中,医生一般会建议对病人进行基因测序,找出合适的药物治疗相应的患者,使药效最大化,同时保证安全性。基因检测指导靶向治疗已经成为精准医学的要求之一;在未来,随着生物医学发现的积累及单细胞测序费用的降低,临床医生有望通过单细胞分析的结果为患者提供精准的免疫治疗。”林锐和濮悦说。


2020年第8期《中国经济周刊》封面

2020年第8期《中国经济周刊》封面

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