迄今最全跨組織細胞圖譜繪成 為人類健康和疾病提供新生物學見解

人類細胞圖譜(HCA)計劃的目標是繪制出人體中的每種細胞類型，從而改變我們對生物學、感染和疾病的認識。美國《科學》雜志13日連發(fā)四篇論文，描述了國際HCA聯(lián)盟研究人員已創(chuàng)建出人體33個器官和系統(tǒng)中超過一百萬個細胞的高度詳細的圖譜。該圖譜的完成為人類健康和疾病(包括免疫系統(tǒng))提供了新的生物學見解，被認為是單細胞生物學領(lǐng)域取得的一個里程碑式的進步。

這些互補的多組織細胞圖譜將有助于形成單一的人類細胞圖譜，并具有許多治療意義，或?qū)椭茖W家重新認識常見和罕見疾病、疫苗開發(fā)、抗腫瘤免疫學和再生醫(yī)學。這些圖譜已開放獲取，允許研究人員詳細比較人體全身的特定細胞，揭示新的細胞功能。

深入研究跨組織的免疫系統(tǒng)

在《科學》合集的第一篇論文中，英國劍橋大學威康·桑格研究所研究人員及其合作者對來自12個成年器官捐贈者的16個組織中的330000個免疫細胞的RNA逐一進行了測序，以了解免疫細胞在不同組織中的功能。

在創(chuàng)建人體內(nèi)免疫細胞的精選目錄后，研究團隊開發(fā)了一種機器學習工具CellTypist來自動識別細胞類型。使用該工具，他們確定了大約一百種不同類型的免疫細胞，包括特定的巨噬細胞、T細胞和B細胞，以及它們在不同組織中的分布。

HCA聯(lián)盟委員會聯(lián)合主席、威康桑格研究所細胞遺傳學負責人薩拉·鐵奇曼博士說：“通過HCA對細胞的詳細了解，將有助于解釋人類健康和疾病的方方面面。通過比較來自同一供體的多個組織中的特定免疫細胞，我們確定了身體不同區(qū)域中不同類型的記憶T細胞，這可能對控制感染產(chǎn)生重大影響。”

在《科學》合集的第二項研究中，桑格研究所研究人員和合作者創(chuàng)建了一個跨越9個器官的人類免疫系統(tǒng)發(fā)育圖譜，揭示了參與血液和免疫細胞形成的組織，這將增強人們對免疫疾病的理解。它還揭示了隨著人體生長而丟失的細胞類型，為體外細胞工程和再生醫(yī)學研究提供了信息。

研究人員使用空間轉(zhuǎn)錄組學和單細胞RNA測序來繪制特定細胞在發(fā)育組織中的確切位置。研究人員識別出一種新型的B細胞，以及出現(xiàn)在生命早期階段的獨特T細胞。該團隊使用來自其他人類細胞圖譜研究的數(shù)據(jù)，證明了這些特定的免疫細胞并不會在成人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)。

冷凍組織的圖譜揭示罕見和常見疾病基因

單細胞圖譜的目標之一是繪制特定細胞類型，其中包括在整個人體中發(fā)揮作用的疾病基因，如導致肌肉萎縮癥等罕見疾病或?qū)е滦呐K病等常見疾病風險的基因。它需要對所有細胞類型進行分析，包括難以捕獲的骨骼肌細胞、脂肪細胞和神經(jīng)元。來自大量個體的細胞也很重要，需要科學家在分析前收集和冷凍組織。

在《科學》合集的第三項研究中，美國哈佛博德研究所研究人員及其合作者揭示了他們?nèi)绾蝺?yōu)化單核RNA測序以克服使用冷凍細胞帶來的挑戰(zhàn)，他們創(chuàng)建了一個跨組織圖譜來分析來自多個冷凍儲存組織的200000個細胞，重點關(guān)注罕見和常見疾病基因。然后，該團隊使用新的機器學習算法，系統(tǒng)地將圖譜中的細胞與6000種單基因疾病和2000種復雜的遺傳疾病和性狀相關(guān)聯(lián)，以識別可能與疾病有關(guān)的細胞類型和基因程序，從而揭示了研究健康和疾病的多個新起點。

HCA聯(lián)盟聯(lián)合主席艾偉福·雷杰夫博士說：“我們的單核人類細胞圖譜研究展示了一種強大的規(guī)模方法，可通過深度學習計算的進步來分析全身冷凍組織樣本中的細胞，并為在單細胞水平上研究來自整個患者群組的組織開辟了道路。通過直接將細胞與人類疾病生物學和跨組織疾病風險基因聯(lián)系起來，我們能夠為理解多種疾病創(chuàng)建新的路線圖。”

廣泛的跨組織細胞圖譜Tabula Sapiens

《科學》合集中的最后一篇論文描述了來自陳·扎克伯格生物中心研究人員進行的一項大型的跨組織研究。該團隊使用活細胞的單細胞RNA測序來分析來自同一供體的許多器官，這使得跨組織比較能夠控制遺傳背景、年齡和環(huán)境影響。近50萬個細胞的集合提供了來自活細胞的獨特廣泛的跨組織圖譜，并創(chuàng)建了一個被研究人員稱為Tabula Sapiens的數(shù)據(jù)集。

Tabula Sapiens數(shù)據(jù)集詳細描述了400多種特定細胞類型、它們的分布和跨組織基因表達的變化。此外，通過對活細胞的分析，研究人員還實現(xiàn)了對單細胞圖譜中替代基因剪接的首次大規(guī)模分析。該研究提供了大量經(jīng)人類專家注釋的細胞資源，這將為基礎(chǔ)生物學和疾病研究提供重要的新見解。

陳·扎克伯格生物中心主任、斯坦福大學生物工程和應用物理學教授斯蒂芬·考克教授說：“Tabula Sapiens是一個參考圖譜，提供了人體24個器官的數(shù)百種細胞類型。科學界將在未來許多年從這一資源中發(fā)現(xiàn)對人類生物學的新見解。”

HCA跨組織數(shù)據(jù)和工具開放獲取

HCA是一個國際合作聯(lián)盟，旨在繪制健康人體中的細胞類型圖譜，為研究健康和疾病提供前所未有的資源。HCA是一個開放的、前沿的、以科學家為主導的聯(lián)盟，擁有來自全球83個國家的2300多名成員。

HCA數(shù)據(jù)已開放獲取，全球研究人員可通過HCA數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)平臺，如劍橋細胞圖譜、博德單細胞門戶和加州大學圣塔克魯茲分校細胞瀏覽器訪問這些數(shù)據(jù)。

HCA聯(lián)盟成員、瑞典卡羅林斯卡學院司藤·林納森教授說：“人類細胞圖譜正在改變我們對生物學和疾病的理解。這些跨組織研究通過對發(fā)育和成年期的相同細胞類型進行系統(tǒng)、深入的比較，是單細胞生物學研究的一個里程碑。它們是向涵蓋人體所有細胞類型的人類細胞圖譜邁出的一大步，為診斷、醫(yī)療保健和精準醫(yī)學的新時代奠定了基礎(chǔ)。(張夢然)