人類發(fā)育細(xì)胞圖譜揭開胚胎發(fā)育“黑匣子”

　　近日，全球大型國際合作項目-人類發(fā)育細(xì)胞圖譜 (Human Developmental Cell Atlas，HDCA)計劃-在《自然》雜志發(fā)表評論文章。我國科學(xué)家浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授郭國驥參與其中，貢獻(xiàn)中國力量。

　　一年前，全球首張人類細(xì)胞圖譜在浙江大學(xué)繪制成功。郭國驥團(tuán)隊的這項成果發(fā)表于《自然》。人類細(xì)胞圖譜計劃旨在全面解碼人體所有細(xì)胞（約37萬億個）的類型、數(shù)目、位置、相互關(guān)聯(lián)與分子組成等，勾勒人體八大系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)，揭示圖譜變化與健康和疾病的關(guān)系。

　　作為人類細(xì)胞圖譜（HCA）計劃的重要戰(zhàn)略，人類發(fā)育細(xì)胞圖譜(HDCA)計劃旨在構(gòu)建一個完整的人類發(fā)育（從受精卵到出生時完全成形的胎兒）過程中細(xì)胞基因時空表達(dá)的精細(xì)參考圖譜，建立全息人類胚胎發(fā)育信息網(wǎng)絡(luò)。

　　擬揭開人類胚胎發(fā)育“黑匣子”

　　論文作者之一郭國驥告訴《中國科學(xué)報》，“人類細(xì)胞圖譜計劃將比人類基因組計劃產(chǎn)生更為龐大的生命科學(xué)數(shù)據(jù)，同時也將面臨比人類基因組計劃更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。比如細(xì)胞圖譜繪制所常用的單細(xì)胞測序技術(shù)，無論是樣本采集處理過程，還是細(xì)胞標(biāo)記測序過程，都會產(chǎn)生批次差異，這在一定程度上影響了圖譜數(shù)據(jù)的整合”。

　　“通過全球科學(xué)家的共同努力，以及來自多個地域和多個實驗室數(shù)據(jù)的比較分析，我們最終能夠?qū)崿F(xiàn)高精度人類細(xì)胞圖譜的宏偉目標(biāo)?！?郭國驥表示。

　　目前現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)的研究大多集中在模式生物上，由于實際挑戰(zhàn)，人類的胚胎發(fā)育仍然是一個知之甚少的“黑匣子”。人類發(fā)育細(xì)胞圖譜（HDCA）的構(gòu)建對于理解正常的器官發(fā)生，突變、環(huán)境和傳染性疾病對人類發(fā)育的影響、先天性疾病，以及衰老、癌癥和再生醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究至關(guān)重要。

　　許多先天性疾病和兒童癌癥起源于易感的發(fā)育窗口；此外，人類胚胎的發(fā)育軌跡圖也可為人類干細(xì)胞模型、類器官和細(xì)胞療法提供重要的參考和指導(dǎo)。

　　人類發(fā)育的早期研究起始于胚胎的形態(tài)測量和定性評估，并依此構(gòu)建了卡內(nèi)基系統(tǒng)發(fā)育圖。成像、細(xì)胞計數(shù)和基因組學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為器官發(fā)生過程中復(fù)雜的時空變化提供了一定的見解?！敖┠陠渭?xì)胞分析技術(shù)以前所未有的分辨率徹底提升了我們研究人類發(fā)育的能力?！惫鶉K說。

　　利用這些最新技術(shù)以單細(xì)胞的分辨率構(gòu)建人類發(fā)育的綜合參考圖譜是一項雄心勃勃的計劃，其規(guī)模與“人類基因組計劃”相似，都需要來自全球各個實驗室以及大型國家和國際研究聯(lián)盟的參與，同時也需要不同領(lǐng)域的多學(xué)科科學(xué)專業(yè)知識共同協(xié)作。

　　郭國驥表示，與人類細(xì)胞圖譜 (HCA)計劃一樣，人類發(fā)育細(xì)胞圖譜網(wǎng)站將由基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等多種數(shù)據(jù)類型組成，實現(xiàn)人類胚胎發(fā)育時空表達(dá)的細(xì)胞可視化，為全世界科學(xué)家提供免費共享的基礎(chǔ)科學(xué)資源數(shù)據(jù)庫。

　　人類發(fā)育細(xì)胞圖譜的構(gòu)建

　　人類發(fā)育細(xì)胞圖譜項目對實驗技術(shù)、計算分析和可視化算法方面提出了巨大的科學(xué)挑戰(zhàn)，特別是妊娠期前八周胚胎瞬時形態(tài)變化的捕捉。人類發(fā)育細(xì)胞圖譜 (HDCA)的一項主要工作是開發(fā)相關(guān)算法框架，以捕捉胚胎細(xì)胞和形態(tài)變化的整個發(fā)育過程。

　　此外，人類發(fā)育細(xì)胞圖譜將采用人類基因組計劃發(fā)起的大型科學(xué)項目的資助、實施、協(xié)調(diào)和共享方式，以及基于人類細(xì)胞圖譜（HCA）的倫理委員會和“生物網(wǎng)絡(luò)”。

　　這種組織框架使研究人員能夠形成跨技術(shù)和生物學(xué)科的大規(guī)模協(xié)調(diào)合作：包括發(fā)育生物學(xué)、胚胎學(xué)、遺傳學(xué)和模型系統(tǒng)、計算生物學(xué)、臨床專業(yè)（包括體外受精）、臨床遺傳學(xué)和病理學(xué)。

　　人類胚胎發(fā)育的整個過程是由三維空間和時間共同調(diào)控的。在體內(nèi)不能以高分辨率輕松評估人類胚胎發(fā)生，時序性研究又僅限于體外的植入前胚胎，這些問題將是我們成功構(gòu)建人類發(fā)育細(xì)胞圖譜所面臨的挑戰(zhàn)。高通量基因組學(xué)技術(shù)在原位進(jìn)行分離細(xì)胞和組織切片的應(yīng)用，開始為發(fā)育生物學(xué)提供前所未有的高分辨率數(shù)據(jù)。

　　基于RNA、染色質(zhì)可及性、甲基化或特定蛋白質(zhì)的單細(xì)胞分子圖譜使細(xì)胞類型和狀態(tài)的定義更加細(xì)致入微。細(xì)胞類型的定義目前主要參考模式生物和成體細(xì)胞圖譜，但這些分析對于發(fā)育和分化過渡狀態(tài)期間存在的瞬態(tài)細(xì)胞類型不一定適用。

　　“為了克服這些挑戰(zhàn)，我們需要分析許多時間點，并且需要隨著時間的推移將定義的細(xì)胞狀態(tài)映射回其三維空間并進(jìn)行功能表征。”郭國驥表示，對于完整的人類發(fā)育細(xì)胞圖譜（HDCA），高水平的多組學(xué)技術(shù)可以反映細(xì)胞分子概況、形態(tài)功能和其他特征的多方面狀態(tài)。

　　例如，轉(zhuǎn)錄組反映了細(xì)胞的現(xiàn)在和潛在的未來；蛋白質(zhì)表達(dá)捕捉細(xì)胞的過去和現(xiàn)在；染色質(zhì)圖譜揭示了其不變的類型和未來分化的潛力；個體譜系發(fā)育揭示了它的歷史。我們期待發(fā)育生物學(xué)朝著一致的細(xì)胞本體發(fā)展，整合空間轉(zhuǎn)錄組、單細(xì)胞測序、原位測序等多組學(xué)單細(xì)胞分析方法，繪制全面的三維發(fā)育細(xì)胞圖譜，還原真實的人類體內(nèi)胚胎發(fā)育分子進(jìn)程。

　　人類發(fā)育細(xì)胞圖譜的臨床應(yīng)用

　　基因型和環(huán)境的相互作用是導(dǎo)致人類早期發(fā)育障礙的基礎(chǔ)。一系列兒童和成人疾病起源于胚胎時期，包括結(jié)構(gòu)性出生缺陷、神經(jīng)發(fā)育障礙（包括精神分裂癥）、兒童癌癥、先天性免疫缺陷、不育和性別發(fā)育差異，以及許多兒科疾病。

　　“眾多的罕見遺傳病在出生時都會出現(xiàn)一系列發(fā)育不良后遺癥，有時即使歸類為相同的疾病或病癥，其醫(yī)學(xué)表現(xiàn)也有很大差異?！惫鶉K說。

　　例如，唐氏綜合征（21三體）和 22q11.2 缺失綜合征分別存在從青春期開始的精神分裂癥、阿爾茨海默病和甲狀腺功能減退癥的重大風(fēng)險。由于我們對人類正常發(fā)育的了解有限，因此無法確定發(fā)育障礙的病因以及母體基因型、父親年齡和其他外部風(fēng)險因素（如飲食、酒精、毒素、內(nèi)分泌干擾物和病原體）的影響。

　　人類發(fā)育細(xì)胞圖譜(HDCA)的構(gòu)建可以揭示兒童癌癥的發(fā)病機(jī)制。兒童和成人腦腫瘤通常會在發(fā)育早期階段出現(xiàn)程序異常。將腫瘤細(xì)胞的表達(dá)譜與人類發(fā)育細(xì)胞圖譜 (HDCA)進(jìn)行比較可以確定癌細(xì)胞的起源及其致癌途徑。

　　例如，發(fā)育中的小鼠小腦的單細(xì)胞圖譜已被用于研究人類成神經(jīng)管細(xì)胞瘤的亞型，腎發(fā)生過程中的細(xì)胞狀態(tài)揭示了Wilms腫瘤的發(fā)育細(xì)胞起源。發(fā)育中免疫細(xì)胞的高分辨率圖譜將為兒童白血病和原發(fā)性免疫缺陷的疾病表型的分子基礎(chǔ)和發(fā)展程度提供了參考。許多成人癌癥也是由于人類早期發(fā)育程序失調(diào)導(dǎo)致的。

　　人類發(fā)育細(xì)胞圖譜 (HDCA)數(shù)據(jù)還可應(yīng)用于檢測病毒進(jìn)入受體和蛋白酶在各個器官中的表達(dá)，幫助我們了解成人和胚胎時期對 SARS-CoV-2 的不同易感性。

　　用于臨床治療和再生醫(yī)學(xué)的細(xì)胞和組織工程是人類發(fā)育細(xì)胞圖譜 (HDCA)潛力巨大的應(yīng)用領(lǐng)域。源自人類多能干細(xì)胞的細(xì)胞療法正在進(jìn)入治療帕金森病的早期臨床試驗，使用的方案是在發(fā)育基礎(chǔ)上改進(jìn)的中腦多巴胺能神經(jīng)元的分化研究。

　　類似的方法催生了一系列用于人體試驗的其他干細(xì)胞產(chǎn)品，例如造血干細(xì)胞移植是許多血液病廣泛使用的治療方法，利用胚胎造血干細(xì)胞的造血潛能可以為血液病患者帶來實質(zhì)性益處。

　　相關(guān)論文信息：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-021-03620-1