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人類細(xì)胞圖譜（HCA）的目標(biāo)是繪制出人體每一種細(xì)胞類型，從而徹底地改變我們對(duì)生物學(xué)、感染和疾病的認(rèn)識(shí)。近日，HCA聯(lián)盟的研究人員在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的4項(xiàng)最新成果，又朝著這一終極目標(biāo)邁出了里程碑式的一步。

先前，HCA主要集中在對(duì)單個(gè)器官、組織或組織中的一小部分獲得深入的細(xì)胞了解。如今，由不同組織和機(jī)構(gòu)構(gòu)成的一組國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行了4項(xiàng)主要的合作研究，開(kāi)發(fā)出了全新的方法，并創(chuàng)建了迄今為止最全面的跨組織圖譜。

研究人員已經(jīng)為人體內(nèi)33種器官和系統(tǒng)中的100多萬(wàn)個(gè)單個(gè)細(xì)胞繪制了極詳細(xì)的圖譜，讓科學(xué)家能夠精細(xì)地比較整個(gè)身體的特定細(xì)胞類型。這些互補(bǔ)的多組織細(xì)胞圖譜，將有助于建立一個(gè)完整的人類細(xì)胞圖譜。

  不同組織中的免疫系統(tǒng)  

我們以往對(duì)人類免疫系統(tǒng)的了解主要局限于血液循環(huán)中的細(xì)胞的作用，但是，組織內(nèi)的免疫細(xì)胞在維持健康和對(duì)抗感染方面同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

在其中一篇論文中，研究人員對(duì)來(lái)自整個(gè)人體的33萬(wàn)個(gè)免疫細(xì)胞的RNA進(jìn)行了測(cè)序，從而了解不同組織中免疫細(xì)胞的功能。

科學(xué)家同時(shí)分析了12位器官捐贈(zèng)者的16個(gè)組織中的免疫細(xì)胞。團(tuán)隊(duì)在創(chuàng)建了一個(gè)人體免疫細(xì)胞的組織目錄后，開(kāi)發(fā)了一種名為CellTypist的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，從而自動(dòng)識(shí)別細(xì)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(xì)胞，包括特定的巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞和B細(xì)胞以及它們?cè)诓煌M織中的分布。

通過(guò)HCA對(duì)細(xì)胞的詳細(xì)認(rèn)識(shí)，將有助于解釋人類健康和疾病的許多方面。舉個(gè)例子，通過(guò)比較同一人體內(nèi)的多個(gè)組織中的特定免疫細(xì)胞，研究人員在身體的不同區(qū)域發(fā)現(xiàn)了不同的記憶T細(xì)胞，這可能對(duì)控制感染有很大的影響。

第二項(xiàng)研究則創(chuàng)建了一個(gè)跨器官的人體免疫系統(tǒng)發(fā)育圖譜，揭示了參與血液和免疫細(xì)胞形成的組織。它還展示了在我們成長(zhǎng)過(guò)程中逐漸丟失的細(xì)胞類型，可以為體外細(xì)胞工程和再生醫(yī)學(xué)研究提供參考。

  來(lái)自冷凍組織的圖譜      

單細(xì)胞圖譜的一項(xiàng)重要作用是幫助繪制人體中疾病基因作用的具體細(xì)胞類型，從導(dǎo)致肌肉萎縮癥等罕見(jiàn)疾病的基因，到導(dǎo)致心臟病等常見(jiàn)疾病風(fēng)險(xiǎn)的基因都在其列。

它需要對(duì)所有的細(xì)胞類型進(jìn)行分析，包括那些難以捕捉的骨骼肌中的細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和神經(jīng)元。來(lái)自更多個(gè)體的細(xì)胞也至關(guān)重要，科學(xué)家在分析前需要收集并冷凍組織。

在一篇新論文中，合作團(tuán)隊(duì)揭示了他們?nèi)绾?/span>優(yōu)化單核RNA測(cè)序，從而克服使用冷凍細(xì)胞的挑戰(zhàn)，并隨后創(chuàng)建了一個(gè)跨組織圖譜，分析來(lái)自多種冷凍組織的20萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，重點(diǎn)關(guān)注那些罕見(jiàn)疾病和常見(jiàn)疾病的基因。

利用新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，團(tuán)隊(duì)隨后將圖譜中的細(xì)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)系在一起，從而確定一些可能與疾病有關(guān)的細(xì)胞類型和基因程序。

科學(xué)家相信，這項(xiàng)工作有機(jī)會(huì)推動(dòng)大量新的研究。單核HCA研究展示了一種強(qiáng)大的大尺度方式，利用深度學(xué)習(xí)的計(jì)算分析整個(gè)身體的冷凍組織樣本的細(xì)胞，并為在單細(xì)胞水平上研究整個(gè)患者群的組織開(kāi)辟了道路。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)直接將細(xì)胞與人類疾病生物學(xué)和跨組織的疾病風(fēng)險(xiǎn)基因聯(lián)系起來(lái)，能夠?yàn)槎喾N疾病創(chuàng)建一個(gè)新的路線圖。

  廣泛的跨組織細(xì)胞圖譜  

最后一篇論文描述了一項(xiàng)非常龐大的跨組織研究。

團(tuán)隊(duì)使用活細(xì)胞的單細(xì)胞RNA測(cè)序，分析了來(lái)自同一捐贈(zèng)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(wàn)個(gè)細(xì)胞的集合帶來(lái)了一個(gè)來(lái)自活細(xì)胞的獨(dú)特而廣泛的跨組織圖譜，并創(chuàng)造了一個(gè)被稱為 Tabula Sapiens（“書(shū)板人”）的數(shù)據(jù)集。

Tabula Sapiens為科學(xué)家?guī)?lái)了一個(gè)巨大的資源庫(kù)，它是一個(gè)參考圖譜，提供了人體24個(gè)器官中數(shù)百種細(xì)胞類型的分子定義。其中的數(shù)據(jù)能夠詳細(xì)描述400多種特定的細(xì)胞類型，以及它們?cè)诟鹘M織中的分布和基因表達(dá)的變化。

此外，通過(guò)分析活細(xì)胞，數(shù)據(jù)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)單細(xì)胞圖譜中可變基因剪接的首次大規(guī)模分析。

  公開(kāi)的數(shù)據(jù)和工具  

HCA的這些數(shù)據(jù)和工具均是公開(kāi)的，使全世界的人們受益于此。科學(xué)家相信，HCA正在改變我們對(duì)生物學(xué)和疾病的理解。

這些跨組織研究代表了HCA和單細(xì)胞生物學(xué)的一個(gè)里程碑，因?yàn)樗鼈兡軌蛳到y(tǒng)、深入地比較發(fā)育和成年時(shí)期相同的細(xì)胞類型。這些新研究是向生成人體完整的細(xì)胞圖譜邁出的一大步，并為診斷、保健和精準(zhǔn)醫(yī)療的新時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。