如今，發(fā)表在Science期刊上的四項新的研究表明，人類細胞圖譜（Human Cell Atlas, HCA）繪制人體每一種細胞類型以改變我們對生物學(xué)、感染和疾病的認識的目標又邁出了里程碑式的一步。
來自國際人類細胞圖譜（HCA）聯(lián)盟的研究人員為人體33種器官和系統(tǒng)中的100多萬個單個細胞繪制了高度詳細的圖譜，為人類健康和疾病提供了新的生物學(xué)見解，包括免疫系統(tǒng)。這些互補的多組織細胞圖譜將有助于形成單一的人類細胞圖譜，并具有許多治療意義，包括為我們了解常見和罕見疾病、疫苗開發(fā)、抗腫瘤免疫學(xué)和再生醫(yī)學(xué)提供信息。
圖片來自CC0 Public Domain。
在此之前，HCA主要集中在對單個器官、組織或組織的一小部分獲得深入的細胞理解。如今，來自英國韋爾科姆基金會桑格研究所、美國布羅德研究所、陳-扎克伯格生物中心的研究人員以及他們的國際合作者進行了四項主要的合作研究，開發(fā)出一些新的方法并構(gòu)建出迄今為止最全面的跨組織圖譜。
這些圖譜是公開的，使得科學(xué)家們能夠精細地比較整個身體的特定細胞類型，揭示新的細胞功能，并闡明健康和疾病。
深入研究不同組織的免疫系統(tǒng)
一直以來，人們對人類免疫系統(tǒng)的了解主要局限于血液中循環(huán)免疫細胞的作用，然而組織內(nèi)的免疫細胞在維持健康和對抗感染方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在第一項新的研究中，來自韋爾科姆基金會桑格研究所、劍橋大學(xué)及其合作機構(gòu)的研究人員對來自整個成人身體的33萬個免疫細胞的RNA進行了測序，以了解不同組織中免疫細胞的功能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年5月13日的Science期刊上，論文標題為“Cross-tissue immune cell analysis reveals tissue-specific features in humans”。
在構(gòu)建出一個人體免疫細胞的精細目錄后，這些作者開發(fā)出一種機器學(xué)習(xí)工具---CellTypist，以自動識別細胞類型。利用這一工具，他們確定了大約一百種不同類型的免疫細胞，包括特定的巨噬細胞、T細胞和B細胞以及它們在不同組織中的分布。
人類細胞圖譜組織委員會聯(lián)合主席、韋爾科姆基金會桑格研究所細胞遺傳學(xué)負責(zé)人Sarah Teichmann博士說，“通過人類細胞圖譜對細胞的詳細了解將有助于解釋人類健康和疾病的許多方面。通過比較同一供者的多個組織中的特定免疫細胞，我們在身體的不同區(qū)域發(fā)現(xiàn)了不同類型的記憶T細胞，這可能對控制感染有很大的影響。我們公開的數(shù)據(jù)將有助于人類細胞圖譜，并可能作為設(shè)計疫苗的框架，或改進攻擊癌癥的免疫療法的設(shè)計?！?/p>
在第二項新的研究中，來自韋爾科姆基金會桑格研究所、劍橋大學(xué)及其合作機構(gòu)的研究人員構(gòu)建出一個跨器官的發(fā)育中人類免疫系統(tǒng)的全面圖譜，揭示了參與血細胞和免疫細胞形成的組織，并增強了人們對免疫疾病的理解。它還揭示了在人類成長過程中丟失的細胞類型，為體外細胞工程和再生醫(yī)學(xué)研究提供參考。相關(guān)研究結(jié)果于2022年5月12日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標題為“Mapping the developing human immune system across organs”。
來自冷凍組織的圖譜揭示了罕見和常見疾病基因
單細胞圖譜的前景之一是幫助繪制特定細胞類型的圖譜，在這些特定細胞類型中，疾病基因---從那些導(dǎo)致肌肉萎縮癥等罕見疾病的基因到那些導(dǎo)致心臟病等常見疾病風(fēng)險的基因---在整個人體中發(fā)揮作用。它需要對所有的細胞類型進行分析，包括骨骼肌細胞、脂肪細胞和難以捕捉的神經(jīng)元。來自更多個體的細胞也是至關(guān)重要的，這需要科學(xué)家們在分析前收集和冷凍組織。
在第三項新的研究中，來自布羅德研究所的研究人員和他們的合作者揭示了他們?nèi)绾蝺?yōu)化單核RNA測序（snRNA-seq）以克服使用冷凍細胞的挑戰(zhàn)，然后構(gòu)建出一個跨組織圖譜來分析來自多個冷凍組織的20萬個細胞，重點關(guān)注導(dǎo)致罕見疾病和常見疾病的基因。利用新型機器學(xué)習(xí)算法，他們隨后將這種圖譜中的細胞與6000種單基因疾病和2000種復(fù)雜的遺傳疾病和性狀系統(tǒng)地聯(lián)系起來，以確定可能參與疾病的細胞類型和基因程序，為未來針對健康和疾病的新研究提供了多個新起點。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年5月13日的Science期刊上，論文標題為“Single-nucleus cross-tissue molecular reference maps toward understanding disease gene function”。
人類細胞圖譜聯(lián)合主席Aviv Regev博士說，“我們的單核人類細胞圖譜研究展示了一種強大的大規(guī)模方式，用深度學(xué)習(xí)的計算進展來分析來自整個身體的冷凍組織樣本的細胞，并為在單細胞水平上研究整個患者隊列的組織開辟了道路。我們能夠為多種疾病建立一個新的路線圖，通過直接將細胞與人類疾病生物學(xué)和跨組織的疾病風(fēng)險基因聯(lián)系起來。我們預(yù)計這項研究工作將導(dǎo)致許多新的研究，并使正在進行的人類細胞圖譜努力能夠為所有人類細胞建立一個參考圖譜?！?/p>
Tabula Sapiens：廣泛的跨組織細胞圖譜
第四項新的研究描述了來自陳-扎克伯格生物中心的研究人員及其合作者的一項非常大的跨組織研究。他們使用活細胞的單細胞RNA測序來分析來自同一供者的許多器官，這使得跨組織的比較可以控制遺傳背景、年齡和環(huán)境影響。近50萬個細胞的收集提供了一個獨特的來自活細胞的廣泛的跨組織圖譜，并構(gòu)建出一個被他們稱為“Tabula Sapiens”的數(shù)據(jù)集。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年5月13日的Science期刊上，論文標題為“The Tabula Sapiens: A multiple-organ, single-cell transcriptomic atlas of humans”。
Tabula Sapiens數(shù)據(jù)允許詳細表征400多種特定的細胞類型、它們在不同組織中的分布和基因表達的變化。此外，通過分析活細胞，他們的數(shù)據(jù)還實現(xiàn)了對單細胞圖譜中選擇性基因剪接的首次大規(guī)模分析。這項新的研究為科學(xué)家們提供了一個巨大的人類專家注釋細胞類型的研究資源，這將為基礎(chǔ)生物學(xué)和疾病提供重大的新見解。
陳-扎克伯格生物中心網(wǎng)絡(luò)主席、斯坦福大學(xué)生物工程教授和應(yīng)用物理學(xué)教授Stephen Quake教授說，“Tabula Sapiens是一個參考圖譜，提供了人體24種器官中數(shù)百種細胞類型的分子定義。它代表了幾個研究機構(gòu)的150多名作者的努力；科學(xué)界將在未來許多年里從這個資源中發(fā)現(xiàn)對人類生物學(xué)的新見解。”
HCA跨組織數(shù)據(jù)和工具可公開獲得
HCA是一個國際合作聯(lián)盟，它描繪了健康人體的細胞類型，為研究健康和疾病提供了一個前所未有的資源。HCA是一個開放、前沿、科學(xué)家主導(dǎo)的聯(lián)盟，是全球研究人員、研究所和資助者的合作努力，擁有來自全球83個國家的2300多名成員。
通過對開放存取、倫理和全球公平的承諾，HCA的數(shù)據(jù)是可公開獲得，使世界各地的人們受益。這些數(shù)據(jù)和其他研究的數(shù)據(jù)可以在HCA數(shù)據(jù)門戶上免費獲得，全世界的科學(xué)家們可以通過HCA數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)平臺（HCA Data Coordination Platform）以及劍橋細胞圖譜（Cambridge Cell Atlas）、布羅德單細胞門戶（Broad Single Cell Portal）和加州大學(xué)舊金山分校細胞瀏覽器（UCSC Cell Browser）訪問這些數(shù)據(jù)。
HCA組織委員會成員、瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院的Sten Linnarsson教授說，“人類細胞圖譜正在改變我們對生物學(xué)和疾病的理解。這些跨組織研究代表了HCA和單細胞生物學(xué)的一個里程碑，因為它們能夠系統(tǒng)地、深入地比較發(fā)育期間和成年時期的相同細胞類型。它們是向構(gòu)建人體所有細胞類型的人類細胞圖譜邁出的一大步，為診斷、保健和精準醫(yī)療的新時代奠定了基礎(chǔ)?！保?a target="_blank" >生物谷 Bioon.com）
參考資料：
1. C. Domínguez Conde et al. Cross-tissue immune cell analysis reveals tissue-specific features in humans. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl5197.
2. Chenqu Suo et al. Mapping the developing human immune system across organs. Science, 2022, 2022, doi:10.1126/science.abo0510.
3. G?kcen Eraslan et al. Single-nucleus cross-tissue molecular reference maps towards understanding disease gene function. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl4290.
4. The Tabula Sapiens Consortium. The Tabula Sapiens: a multiple organ single cell transcriptomic atlas of humans. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl4896.
5. Multi-tissue cell atlases lead to leap of understanding of immunity and disease
https://medicalxpress.com/news/2022-05-multi-tissue-cell-atlases-immunity-disease.html
