世界首個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞圖譜在浙江大學(xué)誕生

章咪佳

6萬(wàn)億個(gè)微小、復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，組成了人的身體。簡(jiǎn)單說(shuō)，我們每個(gè)人，就是由一堆細(xì)胞組成的；每一次呼吸、運(yùn)動(dòng)、思考，都是細(xì)胞在工作。

但是人們對(duì)細(xì)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(xué)術(shù)期刊CELL（《細(xì)胞》）上，刊登了浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)中心郭國(guó)驥教授團(tuán)隊(duì)的研究成果，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了低成本、高效率、完全國(guó)產(chǎn)化的高通量單細(xì)胞測(cè)序平臺(tái)Microwell-seq，并在短時(shí)間內(nèi)利用這一平臺(tái)構(gòu)建了全球首個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞圖譜。

這將打開(kāi)一場(chǎng)奇妙之旅，帶人類深入一個(gè)奇幻世界。

從“看”一群細(xì)胞到單個(gè)細(xì)胞

細(xì)胞是生命的最小獨(dú)立遺傳單位。生命體從一個(gè)受精卵開(kāi)始分裂，逐漸發(fā)育成個(gè)體，細(xì)胞之間的差異越來(lái)越大，承擔(dān)不同的功能。即使相同功能的細(xì)胞也存在差異，極端的例子是，腫瘤細(xì)胞最初便是由一個(gè)正常細(xì)胞變異而來(lái)的。

2017年10月，美國(guó)科學(xué)家聯(lián)合多國(guó)科學(xué)家啟動(dòng)“人類細(xì)胞圖譜計(jì)劃”，設(shè)想對(duì)人體中所有細(xì)胞進(jìn)行分類和測(cè)序，系統(tǒng)描繪人體細(xì)胞圖譜，并通過(guò)這把鑰匙，加深對(duì)疾病診斷、監(jiān)測(cè)、治療的了解。

Facebook創(chuàng)始人馬克·扎克伯格出資支持了這項(xiàng)計(jì)劃，并將其稱為與“人類基因組計(jì)劃”媲美的國(guó)際科研項(xiàng)目。在過(guò)去幾年的研究中，單細(xì)胞測(cè)序已經(jīng)在檢測(cè)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(cè)序技術(shù)，“看”的是一組一組的、成群的細(xì)胞，“讀”到的是一堆細(xì)胞遺傳信號(hào)的均值，因此單個(gè)細(xì)胞的特異性表現(xiàn)容易被忽略。而單細(xì)胞測(cè)序，則通過(guò)“讀”取單個(gè)細(xì)胞的遺傳信息，很好地應(yīng)對(duì)細(xì)胞群體異質(zhì)性的問(wèn)題。

正因如此，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)成為各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)，并進(jìn)一步推動(dòng)了人類對(duì)于生命奧秘的認(rèn)知。

“單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，使人類能夠從單個(gè)細(xì)胞的視角上更為精確地解析細(xì)胞的分化、再生、衰老以及病變。”郭國(guó)驥說(shuō)，“這類技術(shù)正在帶來(lái)一場(chǎng)細(xì)胞檢測(cè)、分類和鑒定的方法學(xué)革命。”

單個(gè)細(xì)胞測(cè)序成本從百元降到兩元

在細(xì)胞圖譜計(jì)劃的勃勃雄心面前，技術(shù)近年來(lái)飛速發(fā)展，各國(guó)科學(xué)家都在爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)高水平的單細(xì)胞測(cè)序平臺(tái)。其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：如何快速高效地檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞，才能拼完這幅巨量的超級(jí)“拼圖”？

郭國(guó)驥教授團(tuán)隊(duì)在CELL上，向全世界介紹了自己的方案：高通量、低成本、操作簡(jiǎn)單、完全國(guó)產(chǎn)化的Microwell-seq單細(xì)胞測(cè)序平臺(tái)。“我們利用微孔矩陣、分子標(biāo)記和擴(kuò)增技術(shù)，高通量、高精度地實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞水平分析，解決了傳統(tǒng)測(cè)序中單個(gè)細(xì)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(zhǎng)3厘米的正方形薄片—一塊瓊脂糖做的微孔板，“上面有10萬(wàn)個(gè)直徑30微米的‘小坑。”

科學(xué)家先用消化酶將一團(tuán)相對(duì)緊實(shí)的細(xì)胞解離成單個(gè)細(xì)胞的懸浮液，然后傾倒到瓊脂糖微孔板上，“大約有1萬(wàn)個(gè)細(xì)胞會(huì)‘一個(gè)蘿卜一個(gè)坑地落入坑中。”這是第一步：捕獲單個(gè)細(xì)胞。

此后，科學(xué)家給每一個(gè)被捕獲的細(xì)胞貼上“編號(hào)”。數(shù)萬(wàn)個(gè)直徑25微米的磁珠落入坑中，封住單個(gè)細(xì)胞，同時(shí)為單個(gè)細(xì)胞標(biāo)記上DNA索引。這是第二步，叫“磁珠索引”。

在準(zhǔn)備索引磁珠的時(shí)候，課題組曾找遍全中國(guó)的生物技術(shù)公司，但沒(méi)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(cè)序流程，解析每個(gè)細(xì)胞的表達(dá)譜。在郭國(guó)驥教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)中，測(cè)的是單個(gè)細(xì)胞所有的mRNA，一種能翻譯蛋白的遺傳物質(zhì)。

“從前分析一個(gè)細(xì)胞，大概需要100塊人民幣，而利用我們所研制的平臺(tái)，不到2元，實(shí)驗(yàn)操作也更為快捷、簡(jiǎn)便。”郭國(guó)驥說(shuō)，Microwell-seq技術(shù)平臺(tái)必將推動(dòng)前沿單細(xì)胞測(cè)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(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞圖譜

利用Microwell-seq技術(shù)平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)對(duì)來(lái)自小鼠不同生命階段的近50種器官組織的40余萬(wàn)個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了系統(tǒng)性的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，并構(gòu)建了首個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞圖譜。

郭國(guó)驥把這個(gè)圖譜稱為“細(xì)胞地圖”。團(tuán)隊(duì)對(duì)小鼠的主要細(xì)胞類型，每一種器官內(nèi)的組織細(xì)胞亞型、基質(zhì)細(xì)胞亞型、血管內(nèi)皮細(xì)胞亞型和免疫細(xì)胞亞型進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

研究發(fā)現(xiàn)，來(lái)自于不同組織的基質(zhì)細(xì)胞，擁有完全不同的基因表達(dá)特征，對(duì)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(xué)家，在組織工程和器官修復(fù)過(guò)程中不能只考慮組織細(xì)胞，必須同時(shí)修復(fù)相應(yīng)的基質(zhì)細(xì)胞體系。

“人類對(duì)于生命的認(rèn)知就像對(duì)浩淼宇宙的探索，單細(xì)胞測(cè)序賦予我們更為特殊的‘觀測(cè)手段，去探索生命體‘星空中不曾發(fā)現(xiàn)的重要物質(zhì)。”郭國(guó)驥說(shuō)，“科學(xué)家可以利用這一平臺(tái)開(kāi)展細(xì)胞命運(yùn)決定的機(jī)制性研究，將給再生醫(yī)學(xué)的移植前細(xì)胞鑒定以及臨床疾病的細(xì)胞水平診斷帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。”

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

科學(xué)界認(rèn)為，小鼠細(xì)胞圖譜的完成也將對(duì)下一步人類細(xì)胞圖譜的構(gòu)建帶來(lái)指導(dǎo)性意義，并惠及細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、血液學(xué)和再生醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

“我們團(tuán)隊(duì)實(shí)際上是以一己之力完成了一個(gè)浩大的工程，希望大家對(duì)我國(guó)的生命科學(xué)產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和科學(xué)家有信心。中國(guó)人完全有能力、有技術(shù)繪制一張華人自己的細(xì)胞圖譜。”郭國(guó)驥說(shuō)。

他還說(shuō)，“這項(xiàng)單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)成本低廉，而且所有試劑和材料都實(shí)現(xiàn)了完全國(guó)產(chǎn)，商業(yè)化前景非常廣闊。”

（本文轉(zhuǎn)自人民網(wǎng)）