科學(xué)家將分類和測(cè)序人體所有細(xì)胞

　　計(jì)算生物學(xué)家Aviv Regev喜歡挑戰(zhàn)一些看似不可能完成的任務(wù)。2011年，她與分子遺傳學(xué)家Joshua Levin合作，測(cè)試了RNA測(cè)序的幾種方法。科學(xué)家希望找到這幾種技術(shù)的極限，以查看哪種方法表現(xiàn)**。他們用降解RNA或極少量的分子處理樣品。最終，Levin指出，一些技術(shù)的靈敏度非常高，能檢測(cè)含量低于單細(xì)胞中含有的RNA量的樣本。本文威正翔禹/締一生物為您分析科學(xué)家將分類和測(cè)序人體所有細(xì)胞。

　　對(duì)于Regev而言，這似乎是個(gè)好機(jī)會(huì)。她一直在尋找探索復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)在單個(gè)細(xì)胞中的運(yùn)作機(jī)制的方法，并想了解在各個(gè)細(xì)胞中這些網(wǎng)絡(luò)有何差異，以及最終各種細(xì)胞群體如何協(xié)同工作。

　　這些答案將揭示細(xì)胞如何構(gòu)建復(fù)雜生物體，如人類。就職于美國(guó)博德研究所的Regev和Levin對(duì)18個(gè)來自小鼠骨髓的、看似相同的免疫細(xì)胞進(jìn)行了RNA測(cè)序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中一些細(xì)胞與其余細(xì)胞的基因表達(dá)模式截然不同。它們就像兩個(gè)不同的細(xì)胞亞型。

　　這使得Regev想進(jìn)一步推進(jìn)研究，即使用單細(xì)胞測(cè)序了解人體內(nèi)存在多少種不同的細(xì)胞類型、它們?cè)谀膫€(gè)部位，以及如何發(fā)揮作用。Regev的實(shí)驗(yàn)室同時(shí)對(duì)18個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了檢測(cè)，一共測(cè)定了數(shù)十萬個(gè)RNA的序列，并將單細(xì)胞分析與基因組編輯技術(shù)結(jié)合起來，以了解關(guān)鍵調(diào)控基因被抑制時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

　　結(jié)果是發(fā)現(xiàn)了一些新的細(xì)胞類型，例如，識(shí)別兩種新型視網(wǎng)膜神經(jīng)元。但Regev還希望找到更多的細(xì)胞類型。2016年底，她幫助推出了“國(guó)際人體細(xì)胞圖譜計(jì)劃”。該計(jì)劃準(zhǔn)備對(duì)人體中所有（估計(jì)37萬億個(gè)）細(xì)胞進(jìn)行分類和測(cè)序。

　　瑞典皇家理工學(xué)院微生物學(xué)家Mathias Uhlén指出，現(xiàn)在測(cè)繪單個(gè)細(xì)胞的研究越來越流行了。“但我認(rèn)為，人體細(xì)胞圖譜計(jì)劃會(huì)是歷史上最重要的生命科學(xué)項(xiàng)目之一，它甚至要比人類基因組計(jì)劃更重要。”

　　紐約市紀(jì)念斯隆凱特琳癌癥中心計(jì)算生物學(xué)家、認(rèn)識(shí)Regev已有18年的Dana Peer表示，Regev就喜歡這種大規(guī)模項(xiàng)目。“Regev非常獨(dú)特的一點(diǎn)就是她的視野非常開闊。我從未見過一個(gè)科學(xué)家，能同時(shí)深入而創(chuàng)新地思考這么多事情。”

　　懸而未決

　　當(dāng)Regev還是以色列特拉維夫大學(xué)本科生時(shí)，學(xué)生們必須在開始學(xué)習(xí)之前選擇一門課程。但她不想選。“太多有趣的事情了。”她說。最后，她選擇了一個(gè)先進(jìn)的跨學(xué)科項(xiàng)目，以便同時(shí)學(xué)習(xí)多個(gè)學(xué)科，跳過學(xué)士學(xué)位，直接攻讀碩士。

　　Regev本科期間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是得到了進(jìn)化生物學(xué)家Eva Jablonka的指導(dǎo)。Jablonka提出了一個(gè)關(guān)于表觀遺傳進(jìn)化的備受爭(zhēng)議的理論。Regev佩服Jablonka面對(duì)批評(píng)的勇氣和坦率。Regev認(rèn)為，“容易的路總是很多，但選擇走困難道路的人更讓人印象深刻。”

　　Jablonka的課程有Regev喜愛的復(fù)雜遺傳學(xué)問題。而且，她表示，“基因非常有趣，但更有趣的是基因之間的相互協(xié)作。而基因彼此協(xié)作的**媒介是細(xì)胞。”

　　之后，Regev在以色列魏茲曼科學(xué)研究所Ehud Shapiro實(shí)驗(yàn)室攻讀計(jì)算生物學(xué)博士學(xué)位。2003年，她搬到了哈佛大學(xué)鮑爾基因組學(xué)研究中心。在那里Regev擁有了屬于自己的獨(dú)立的小團(tuán)隊(duì)。

　　Regev著重于通過觀察細(xì)胞中的RNA分子分析遺傳網(wǎng)絡(luò)。2004年，她將這種技術(shù)應(yīng)用于腫瘤，由此發(fā)現(xiàn)了不同類型癌癥共享的基因表達(dá)模式，以及一些更具體的基因表達(dá)模式。到2006年，35歲的她在博德研究所成立了自己的實(shí)驗(yàn)室。

　　打破相似性

　　在博德研究所，Regev致力于研究如何從RNA測(cè)序數(shù)據(jù)中篩選出復(fù)雜信息。2011年，她開發(fā)了一種在不使用參考基因組的情況下，組裝出完整的轉(zhuǎn)錄組的方法，這種技術(shù)在生物體的基因組未被深入測(cè)序時(shí)非常很重要。

　　當(dāng)時(shí)，Levin也提出了對(duì)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)RNA進(jìn)行測(cè)序的前景。在此之前，單細(xì)胞基因組學(xué)幾乎是不可能的，因?yàn)榧夹g(shù)不夠靈敏，無法檢測(cè)一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的微量RNA或DNA。但2011年情況開始發(fā)生變化。

　　Regev等人使用18種免疫細(xì)胞——也是樹突狀細(xì)胞，測(cè)試相關(guān)方法。Regev當(dāng)時(shí)的博士后、現(xiàn)在就職于紐約基因組中心的Rahul Satija提到，“我當(dāng)時(shí)堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)會(huì)證明同樣類型的細(xì)胞的檢測(cè)結(jié)果是相同的。”然而結(jié)果并非如此，他發(fā)現(xiàn)了兩種完全不同的細(xì)胞亞型。甚至即使是同一亞型里，個(gè)體細(xì)胞的調(diào)控表達(dá)和免疫基因都存在很大的差異。Regev回憶，那是很小的一個(gè)研究，但卻發(fā)現(xiàn)了很多信息。

　　在標(biāo)準(zhǔn)遺傳測(cè)序中，研究人員會(huì)從許多細(xì)胞的混合物中提取DNA或RNA，以產(chǎn)生整個(gè)細(xì)胞群體的平均讀數(shù)。Regev將這種方法比喻成水果冰沙。顏色和味道能提示冰沙的成分，但是其中一個(gè)甚至十幾個(gè)藍(lán)莓的味道，很容易被一堆草莓覆蓋。

　　相比之下，“單細(xì)胞數(shù)據(jù)就像水果沙拉。你可以輕而易舉地將藍(lán)莓和黑莓分開。”Regev說。這有助于揭示細(xì)胞的多樣性。生物學(xué)家可以使用單細(xì)胞基因組學(xué)對(duì)腫瘤進(jìn)行序列分析，以確定哪些基因被惡性細(xì)胞表達(dá)、哪些被非惡性細(xì)胞表達(dá)、哪些被免疫系統(tǒng)或血管表達(dá)——這可以推動(dòng)新型癌癥藥物的開發(fā)。

　　該技術(shù)還能幫助開發(fā)針對(duì)其他多種疾病的藥物。在全面分析哪些細(xì)胞高表達(dá)致病基因的情況下，了解哪些基因是潛在的藥物靶標(biāo)更具臨床意義。

　　實(shí)際上，Regev不是**一個(gè)迷戀大規(guī)模單細(xì)胞分析的人。至少?gòu)?012年起，科學(xué)家就一直想使用這些技術(shù)繪制人類其他細(xì)胞類型。加州斯坦福大學(xué)生物工程師、陳—扎克伯格生物科技中心共同負(fù)責(zé)人Stephen Quake表示，幾乎同時(shí)，世界多個(gè)地區(qū)的研究組都各自提出了這種想法。

　　人體細(xì)胞圖集

　　2014年前后，Regev開始舉辦關(guān)于細(xì)胞測(cè)繪的講座和研討會(huì)。英國(guó)維康信托桑格研究所細(xì)胞遺傳學(xué)主管Sarah Teichmann聽說了Regev的想法，并于去年聯(lián)系她，問她是否愿意合作建立一個(gè)國(guó)際人體細(xì)胞圖譜項(xiàng)目。該項(xiàng)目不僅需要基因組學(xué)研究人員參與，還需要研究各種組織和器官系統(tǒng)的生理學(xué)專家參與。

　　Regev抓住了這個(gè)機(jī)會(huì)，她和Teichmann現(xiàn)在是人體細(xì)胞圖譜計(jì)劃的聯(lián)合負(fù)責(zé)人。該項(xiàng)目計(jì)劃將對(duì)人體各種細(xì)胞的RNA進(jìn)行測(cè)序，然后使用這些基因表達(dá)譜將細(xì)胞分類，定義新的細(xì)胞，并繪制所有細(xì)胞及其分子的空間組織方式。

　　該項(xiàng)目還旨在發(fā)現(xiàn)和表征人體中所有可能的細(xì)胞狀態(tài)。科學(xué)家認(rèn)為，人體內(nèi)大約有300種主要的細(xì)胞類型，但Regev認(rèn)為人體內(nèi)的細(xì)胞類型和狀態(tài)遠(yuǎn)超過這個(gè)數(shù)字。Teichmann 指出，現(xiàn)在項(xiàng)目還處于起步階段。

　　一些科學(xué)家擔(dān)心，人體細(xì)胞圖譜計(jì)劃將耗盡其他項(xiàng)目的資金和努力——這是許多類似大型國(guó)際大科學(xué)項(xiàng)目都會(huì)受到的批評(píng)。Regev實(shí)驗(yàn)室博士生Atray Dixit指出，確實(shí)有這個(gè)壓力。“我們知道會(huì)得到很多重要發(fā)現(xiàn)，從學(xué)術(shù)意義上講，這個(gè)項(xiàng)目是低風(fēng)險(xiǎn)的。但成本太高了。我們應(yīng)思考如何在學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)成本之間尋找平衡。”

　　而且，英國(guó)劍橋大學(xué)發(fā)育生物學(xué)家Azim Surani不確定該項(xiàng)目能否平衡數(shù)據(jù)量和信息深度。“人體細(xì)胞圖譜給你的是一幅很大的圖，但你并不能深入了解不同的細(xì)胞類型，以及它們之間的關(guān)系。因此很難說人體細(xì)胞圖譜計(jì)劃的投入產(chǎn)出比有多高。”他說。

　　Surani也懷疑單細(xì)胞基因組學(xué)是否已經(jīng)成熟到足以開展一個(gè)大項(xiàng)目。“技術(shù)已經(jīng)成熟到你可以充分利用了嗎？”他說。例如，在無偏向且不影響RNA品質(zhì)的情況下，從組織中提取單細(xì)胞仍然是非常困難的。如果很多團(tuán)體獨(dú)立摸索這類問題，效果可能比現(xiàn)在直接開展大規(guī)模細(xì)胞圖譜繪制要好。

　　很多人還擔(dān)心這個(gè)項(xiàng)目何時(shí)才能完成。但Regev認(rèn)為完成不是**的目標(biāo)。計(jì)劃是模塊化的，你可以把它分解成很多碎片。她表示，即使該項(xiàng)目只是對(duì)視網(wǎng)膜中的所有細(xì)胞進(jìn)行編目，也會(huì)對(duì)藥物開發(fā)非常有用。“時(shí)間會(huì)證明它的價(jià)值。”她說。

　　現(xiàn)在，Regev工作起來沒日沒夜。而她的工作強(qiáng)度和高度聚焦源自于對(duì)細(xì)胞的無限熱愛。“我是非常幸運(yùn)的人，做的是最愛的事情。無論怎么看，細(xì)胞都是神奇而迷人的。”她說。

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