人類細(xì)胞圖譜的研究進(jìn)展及展望

人類細(xì)胞圖譜計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃后的又一項(xiàng)國際合作項(xiàng)目，致力于建立一個(gè)表征一切人體細(xì)胞的參考圖譜。目前，這項(xiàng)計(jì)劃已匯集了多份不同類型的圖譜，但多專注于深入研究單個(gè)組織和器官的細(xì)胞類型。2022年 5月 12日，Science 雜志發(fā)表了泛組織人類細(xì)胞圖譜的新研究成果，整合了人體多個(gè)組織和器官的細(xì)胞圖譜，有助于更全面地了解疾病致病機(jī)制、疫苗研發(fā)、細(xì)胞工程、腫瘤免疫和再生藥物開發(fā)。

基因是攜帶有遺傳信息的DNA序列，是控制性狀的基本遺傳單位。人類基因組計(jì)劃完成了一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)的”人的參考基因組，助推生物醫(yī)學(xué)進(jìn)入時(shí)代。但細(xì)胞才是生命的基本單位，由于各組織和器官的特異性和細(xì)胞本身的復(fù)雜性，基因組學(xué)尚不足以回答健康與疾病的奧秘。于是，“人類細(xì)胞圖譜”計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生，旨在全面解碼人體所有細(xì)胞的類型、數(shù)量、定位、相互關(guān)聯(lián)、分子組成等。構(gòu)建人體所有細(xì)胞的分子圖譜已成為科研工作者們共同的愿景。

各種高通量生物學(xué)技術(shù)為細(xì)胞圖譜的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。其中單細(xì)胞測(cè)序多次被Nature Methods雜志列為“年度技術(shù)”，Science雜志將其評(píng)為“年度十大突破”之一，并預(yù)測(cè)該技術(shù)將改變未來10年的科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)。單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)使研究者們可以從單細(xì)胞層面對(duì)基因組、轉(zhuǎn)錄組及表觀組水平進(jìn)行測(cè)序分析，能更特異、探索單個(gè)細(xì)胞基因的變異情況，更直接地反映生命基本單位的特性。單細(xì)胞技術(shù)已幫助研究者們了解穩(wěn)態(tài)和病理?xiàng)l件下單個(gè)細(xì)胞類型的特征，而細(xì)胞如何形成不同的組織和器官以及細(xì)胞之間如何相互作用，還需要對(duì)不同組織中的細(xì)胞進(jìn)行系統(tǒng)的比較。 

2022年5月12日，Science雜志同期發(fā)表了4篇里程碑式論文，繪制出了迄今為全面的“人類細(xì)胞圖譜”，覆蓋了100多萬個(gè)細(xì)胞，包括來自68個(gè)捐贈(zèng)者的33種組織共計(jì)500多種細(xì)胞類型，這4篇研究整合了人體多個(gè)組織和器官的單細(xì)胞測(cè)序結(jié)果，采用系統(tǒng)性的細(xì)胞命名方式，通過注釋和比較不同組織和器官間的細(xì)胞類型，揭示了具有組織特異性的基因表達(dá)和某些未知的細(xì)胞功能，為各種細(xì)胞在發(fā)病機(jī)制中的作用提供了基本參照。

Tabula Sapiens Consortium使用單細(xì)胞RNA測(cè)序構(gòu)建了24種不同組織和器官的細(xì)胞參考圖譜，描繪了400多種人體細(xì)胞的分子特征，包括上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞等[1]，作為一個(gè)龐大的跨組織圖譜，不僅再現(xiàn)了各種類型細(xì)胞保守的分子特征，同時(shí)比較了特定細(xì)胞類型在組織中的分布及組織特異性的基因表達(dá)模式。例如，相同的細(xì)胞在不同的組織器官如肺、心臟、子宮、肝臟、胰腺、脂肪和肌肉的內(nèi)皮細(xì)胞中表現(xiàn)出獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄特征，而來自胸腺、脈管系統(tǒng)、前列腺和眼睛的內(nèi)皮細(xì)胞則彼此相似；相同的基因在不同類型的細(xì)胞中存在不同的細(xì)胞特異性剪接方式和剪接異構(gòu)體等。而Eraslan等[2]另辟蹊徑，采用單細(xì)胞核RNA測(cè)序構(gòu)建了來自25個(gè)樣本8種組織的細(xì)胞圖譜，由于該技術(shù)可以應(yīng)用于凍存樣本，有助于捕獲用單細(xì)胞RNA測(cè)序方法難以分離的神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等，并可從中發(fā)現(xiàn)一些罕見的細(xì)胞類型，如前列腺中的神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞和食管中的腸神經(jīng)元；此外，該研究在單細(xì)胞分辨率上破譯了與疾病相關(guān)的細(xì)胞類型和基因變異，將細(xì)胞與人類疾病生物學(xué)以及常見和罕見疾病的風(fēng)險(xiǎn)基因聯(lián)系起來，從而識(shí)別可能導(dǎo)致疾病的細(xì)胞類型及其涉及的生物學(xué)過程。

人體免疫系統(tǒng)在健康和疾病中起著至關(guān)重要的作用。研究人員利用單細(xì)胞測(cè)序分析了成年人和胚胎發(fā)育中的免疫細(xì)胞。Domínguez Conde等[3]利用單細(xì)胞RNA測(cè)序研究了12例成人供體中16種組織的33萬個(gè)免疫細(xì)胞，通過“CellTypist”算法對(duì)細(xì)胞群進(jìn)行深入分析，生成了一個(gè)包含101種免疫細(xì)胞亞群的免疫細(xì)胞圖譜，該圖譜詳細(xì)繪制了髓系來源和淋巴來源中先天性和適應(yīng)性免疫細(xì)胞的組織分布特征。例如，漿細(xì)胞的組織分布受限，而記憶B細(xì)胞則分布廣泛；CD8+記憶T細(xì)胞包括3種亞型，其中效應(yīng)記憶T細(xì)胞/終末分化效應(yīng)記憶T細(xì)胞普遍存在于血液中，組織駐留記憶T細(xì)胞富集于腸道，組織駐留記憶T細(xì)胞/效應(yīng)記憶T細(xì)胞主要分布在脾臟或骨髓，且每個(gè)亞群特異性表達(dá)不同的趨化因子受體。此外，Suo等[4]結(jié)合單細(xì)胞RNA測(cè)序、抗原受體庫測(cè)序和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析了9個(gè)產(chǎn)前組織中的100多種細(xì)胞，重建了人類早期發(fā)育階段的免疫系統(tǒng)圖譜，包括產(chǎn)前造血器官（卵黃囊、肝臟和骨髓）、淋巴器官（胸腺、脾臟和淋巴結(jié)）和非淋巴外周器官（皮膚、腎臟和腸道）。多種測(cè)序技術(shù)聯(lián)合分析確定了產(chǎn)前組織免疫細(xì)胞的定位，揭示了4個(gè)重要生物學(xué)現(xiàn)象：①人類巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞在出生前10~12周即可獲得免疫效應(yīng)功能；②單核細(xì)胞和T細(xì)胞遷移到外周組織前會(huì)經(jīng)歷一個(gè)保守的增殖、成熟過程；③造血系統(tǒng)和免疫細(xì)胞在所有器官中均可有不同程度的發(fā)育，并不像過去認(rèn)為的僅限于卵黃囊、肝臟和骨髓；④B細(xì)胞祖細(xì)胞幾乎在所有產(chǎn)前器官中都有很高的豐度，而T細(xì)胞祖細(xì)胞僅在胸腺中分布。

這些人類泛組織單細(xì)胞研究驗(yàn)證了許多此前未有定論的生物學(xué)假說，甚至推翻了某些被奉為教條的理論，其卓越的貢獻(xiàn)在于生成了一個(gè)細(xì)胞分辨率水平的大型數(shù)據(jù)集，為未來生命科學(xué)的深入研究提供了重要參考，如將新藥用于臨床試驗(yàn)前可通過查詢?cè)摼C合圖譜來預(yù)測(cè)、監(jiān)視新藥及其他安全性問題，避免或減少脫靶效應(yīng)發(fā)生。單細(xì)胞生物學(xué)是科學(xué)發(fā)展的必然，也是人類認(rèn)識(shí)整個(gè)生命系統(tǒng)的必不可少的基礎(chǔ)。雖道阻且長，但站在巨人的肩膀上，必將更接近于建立一個(gè)真正的人類單細(xì)胞圖譜“百科全書”，達(dá)到在個(gè)體基因、細(xì)胞類型、組織與表型層面系統(tǒng)性理解人類生物學(xué)過程的目的。