世界首個哺乳動物細胞圖譜在浙江大學誕生

章咪佳

6萬億個微小、復雜的細胞結構，組成了人的身體。簡單說，我們每個人，就是由一堆細胞組成的；每一次呼吸、運動、思考，都是細胞在工作。

但是人們對細胞的了解卻很少。

人類邁出了新的一大步—近期上線的著名學術期刊CELL（《細胞》）上，刊登了浙江大學醫學院干細胞與再生醫學中心郭國驥教授團隊的研究成果，團隊自主研發了低成本、高效率、完全國產化的高通量單細胞測序平臺Microwell-seq，并在短時間內利用這一平臺構建了全球首個哺乳動物細胞圖譜。

這將打開一場奇妙之旅，帶人類深入一個奇幻世界。

從“看”一群細胞到單個細胞

細胞是生命的最小獨立遺傳單位。生命體從一個受精卵開始分裂，逐漸發育成個體，細胞之間的差異越來越大，承擔不同的功能。即使相同功能的細胞也存在差異，極端的例子是，腫瘤細胞最初便是由一個正常細胞變異而來的。

2017年10月，美國科學家聯合多國科學家啟動“人類細胞圖譜計劃”，設想對人體中所有細胞進行分類和測序，系統描繪人體細胞圖譜，并通過這把鑰匙，加深對疾病診斷、監測、治療的了解。

Facebook創始人馬克·扎克伯格出資支持了這項計劃，并將其稱為與“人類基因組計劃”媲美的國際科研項目。在過去幾年的研究中，單細胞測序已經在檢測腫瘤變異、產前診斷等方面展現出廣闊前景。

傳統的測序技術，“看”的是一組一組的、成群的細胞，“讀”到的是一堆細胞遺傳信號的均值，因此單個細胞的特異性表現容易被忽略。而單細胞測序，則通過“讀”取單個細胞的遺傳信息，很好地應對細胞群體異質性的問題。

正因如此，單細胞測序技術成為各國科學家研究的熱點，并進一步推動了人類對于生命奧秘的認知。

“單細胞測序技術，使人類能夠從單個細胞的視角上更為精確地解析細胞的分化、再生、衰老以及病變。”郭國驥說，“這類技術正在帶來一場細胞檢測、分類和鑒定的方法學革命。”

單個細胞測序成本從百元降到兩元

在細胞圖譜計劃的勃勃雄心面前，技術近年來飛速發展，各國科學家都在爭相開發高水平的單細胞測序平臺。其中一個關鍵問題是：如何快速高效地檢測單個細胞，才能拼完這幅巨量的超級“拼圖”？

郭國驥教授團隊在CELL上，向全世界介紹了自己的方案：高通量、低成本、操作簡單、完全國產化的Microwell-seq單細胞測序平臺。“我們利用微孔矩陣、分子標記和擴增技術，高通量、高精度地實現單細胞水平分析，解決了傳統測序中單個細胞核酸物質太少、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3厘米的正方形薄片—一塊瓊脂糖做的微孔板，“上面有10萬個直徑30微米的‘小坑。”

科學家先用消化酶將一團相對緊實的細胞解離成單個細胞的懸浮液，然后傾倒到瓊脂糖微孔板上，“大約有1萬個細胞會‘一個蘿卜一個坑地落入坑中。”這是第一步：捕獲單個細胞。

此后，科學家給每一個被捕獲的細胞貼上“編號”。數萬個直徑25微米的磁珠落入坑中，封住單個細胞，同時為單個細胞標記上DNA索引。這是第二步，叫“磁珠索引”。

在準備索引磁珠的時候，課題組曾找遍全中國的生物技術公司，但沒有一家能做。最后，是課題組自己合成的。

第三步，就是常規的測序流程，解析每個細胞的表達譜。在郭國驥教授團隊的這項技術中，測的是單個細胞所有的mRNA，一種能翻譯蛋白的遺傳物質。

“從前分析一個細胞，大概需要100塊人民幣，而利用我們所研制的平臺，不到2元，實驗操作也更為快捷、簡便。”郭國驥說，Microwell-seq技術平臺必將推動前沿單細胞測序技術在基礎科研和臨床診斷的普及和應用。

繪制出首個哺乳動物細胞圖譜

利用Microwell-seq技術平臺，團隊對來自小鼠不同生命階段的近50種器官組織的40余萬個細胞進行了系統性的單細胞轉錄組分析，并構建了首個哺乳動物細胞圖譜。

郭國驥把這個圖譜稱為“細胞地圖”。團隊對小鼠的主要細胞類型，每一種器官內的組織細胞亞型、基質細胞亞型、血管內皮細胞亞型和免疫細胞亞型進行了詳細的描述。

研究發現，來自于不同組織的基質細胞，擁有完全不同的基因表達特征，對組織特異性微環境行使重要的調節作用。這提示科學家，在組織工程和器官修復過程中不能只考慮組織細胞，必須同時修復相應的基質細胞體系。

“人類對于生命的認知就像對浩淼宇宙的探索，單細胞測序賦予我們更為特殊的‘觀測手段，去探索生命體‘星空中不曾發現的重要物質。”郭國驥說，“科學家可以利用這一平臺開展細胞命運決定的機制性研究，將給再生醫學的移植前細胞鑒定以及臨床疾病的細胞水平診斷帶來深遠的影響。”

審稿過程中，CELL的三位評審專家一致性地給出了“impressive”（令人敬佩的）評價，并認為“小鼠圖譜必將成為用途廣泛的生物數據資源”。

科學界認為，小鼠細胞圖譜的完成也將對下一步人類細胞圖譜的構建帶來指導性意義，并惠及細胞生物學、發育生物學、神經生物學、血液學和再生醫學等多個領域。

“我們團隊實際上是以一己之力完成了一個浩大的工程，希望大家對我國的生命科學產業、技術和科學家有信心。中國人完全有能力、有技術繪制一張華人自己的細胞圖譜。”郭國驥說。

他還說，“這項單細胞測序技術成本低廉，而且所有試劑和材料都實現了完全國產，商業化前景非常廣闊。”

（本文轉自人民網）