世界首個哺乳動物細胞圖譜在浙江大學誕生

章咪佳

6萬億個微小、復雜的細胞結(jié)構(gòu)，組成了人的身體。簡單說，我們每個人，就是由一堆細胞組成的；每一次呼吸、運動、思考，都是細胞在工作。

但是人們對細胞的了解卻很少。

人類邁出了新的一大步—近期上線的著名學術(shù)期刊CELL（《細胞》）上，刊登了浙江大學醫(yī)學院干細胞與再生醫(yī)學中心郭國驥教授團隊的研究成果，團隊自主研發(fā)了低成本、高效率、完全國產(chǎn)化的高通量單細胞測序平臺Microwell-seq，并在短時間內(nèi)利用這一平臺構(gòu)建了全球首個哺乳動物細胞圖譜。

這將打開一場奇妙之旅，帶人類深入一個奇幻世界。

從“看”一群細胞到單個細胞

細胞是生命的最小獨立遺傳單位。生命體從一個受精卵開始分裂，逐漸發(fā)育成個體，細胞之間的差異越來越大，承擔不同的功能。即使相同功能的細胞也存在差異，極端的例子是，腫瘤細胞最初便是由一個正常細胞變異而來的。

2017年10月，美國科學家聯(lián)合多國科學家啟動“人類細胞圖譜計劃”，設(shè)想對人體中所有細胞進行分類和測序，系統(tǒng)描繪人體細胞圖譜，并通過這把鑰匙，加深對疾病診斷、監(jiān)測、治療的了解。

Facebook創(chuàng)始人馬克·扎克伯格出資支持了這項計劃，并將其稱為與“人類基因組計劃”媲美的國際科研項目。在過去幾年的研究中，單細胞測序已經(jīng)在檢測腫瘤變異、產(chǎn)前診斷等方面展現(xiàn)出廣闊前景。

傳統(tǒng)的測序技術(shù)，“看”的是一組一組的、成群的細胞，“讀”到的是一堆細胞遺傳信號的均值，因此單個細胞的特異性表現(xiàn)容易被忽略。而單細胞測序，則通過“讀”取單個細胞的遺傳信息，很好地應(yīng)對細胞群體異質(zhì)性的問題。

正因如此，單細胞測序技術(shù)成為各國科學家研究的熱點，并進一步推動了人類對于生命奧秘的認知。

“單細胞測序技術(shù)，使人類能夠從單個細胞的視角上更為精確地解析細胞的分化、再生、衰老以及病變?！惫鶉K說，“這類技術(shù)正在帶來一場細胞檢測、分類和鑒定的方法學革命。”

單個細胞測序成本從百元降到兩元

在細胞圖譜計劃的勃勃雄心面前，技術(shù)近年來飛速發(fā)展，各國科學家都在爭相開發(fā)高水平的單細胞測序平臺。其中一個關(guān)鍵問題是：如何快速高效地檢測單個細胞，才能拼完這幅巨量的超級“拼圖”？

郭國驥教授團隊在CELL上，向全世界介紹了自己的方案：高通量、低成本、操作簡單、完全國產(chǎn)化的Microwell-seq單細胞測序平臺?！拔覀兝梦⒖拙仃?、分子標記和擴增技術(shù)，高通量、高精度地實現(xiàn)單細胞水平分析，解決了傳統(tǒng)測序中單個細胞核酸物質(zhì)太少、容易丟失、分析成本高的難題。”

韓曉平博士（論文第一作者）向記者展示了一塊邊長3厘米的正方形薄片—一塊瓊脂糖做的微孔板，“上面有10萬個直徑30微米的‘小坑。”

科學家先用消化酶將一團相對緊實的細胞解離成單個細胞的懸浮液，然后傾倒到瓊脂糖微孔板上，“大約有1萬個細胞會‘一個蘿卜一個坑地落入坑中?！边@是第一步：捕獲單個細胞。

此后，科學家給每一個被捕獲的細胞貼上“編號”。數(shù)萬個直徑25微米的磁珠落入坑中，封住單個細胞，同時為單個細胞標記上DNA索引。這是第二步，叫“磁珠索引”。

在準備索引磁珠的時候，課題組曾找遍全中國的生物技術(shù)公司，但沒有一家能做。最后，是課題組自己合成的。

第三步，就是常規(guī)的測序流程，解析每個細胞的表達譜。在郭國驥教授團隊的這項技術(shù)中，測的是單個細胞所有的mRNA，一種能翻譯蛋白的遺傳物質(zhì)。

“從前分析一個細胞，大概需要100塊人民幣，而利用我們所研制的平臺，不到2元，實驗操作也更為快捷、簡便。”郭國驥說，Microwell-seq技術(shù)平臺必將推動前沿單細胞測序技術(shù)在基礎(chǔ)科研和臨床診斷的普及和應(yīng)用。

繪制出首個哺乳動物細胞圖譜

利用Microwell-seq技術(shù)平臺，團隊對來自小鼠不同生命階段的近50種器官組織的40余萬個細胞進行了系統(tǒng)性的單細胞轉(zhuǎn)錄組分析，并構(gòu)建了首個哺乳動物細胞圖譜。

郭國驥把這個圖譜稱為“細胞地圖”。團隊對小鼠的主要細胞類型，每一種器官內(nèi)的組織細胞亞型、基質(zhì)細胞亞型、血管內(nèi)皮細胞亞型和免疫細胞亞型進行了詳細的描述。

研究發(fā)現(xiàn)，來自于不同組織的基質(zhì)細胞，擁有完全不同的基因表達特征，對組織特異性微環(huán)境行使重要的調(diào)節(jié)作用。這提示科學家，在組織工程和器官修復過程中不能只考慮組織細胞，必須同時修復相應(yīng)的基質(zhì)細胞體系。

“人類對于生命的認知就像對浩淼宇宙的探索，單細胞測序賦予我們更為特殊的‘觀測手段，去探索生命體‘星空中不曾發(fā)現(xiàn)的重要物質(zhì)?！惫鶉K說，“科學家可以利用這一平臺開展細胞命運決定的機制性研究，將給再生醫(yī)學的移植前細胞鑒定以及臨床疾病的細胞水平診斷帶來深遠的影響?！?/p>

審稿過程中，CELL的三位評審專家一致性地給出了“impressive”（令人敬佩的）評價，并認為“小鼠圖譜必將成為用途廣泛的生物數(shù)據(jù)資源”。

科學界認為，小鼠細胞圖譜的完成也將對下一步人類細胞圖譜的構(gòu)建帶來指導性意義，并惠及細胞生物學、發(fā)育生物學、神經(jīng)生物學、血液學和再生醫(yī)學等多個領(lǐng)域。

“我們團隊實際上是以一己之力完成了一個浩大的工程，希望大家對我國的生命科學產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和科學家有信心。中國人完全有能力、有技術(shù)繪制一張華人自己的細胞圖譜?！惫鶉K說。

他還說，“這項單細胞測序技術(shù)成本低廉，而且所有試劑和材料都實現(xiàn)了完全國產(chǎn)，商業(yè)化前景非常廣闊?！?/p>

（本文轉(zhuǎn)自人民網(wǎng)）