中國構建首個人類細胞圖譜基本框架,“80後”浙大學者領銜
2020年03月26日07:22

原標題:中國構建首個人類細胞圖譜基本框架,“80後”浙大學者領銜

細胞是生命的基本單位。由六國科學家參與的人類基因組計劃(HGP)完成之後,我們初步掌握了遺傳“密碼本”,但時至今日,人類尚未能一窺自己的細胞圖譜。近年來,單細胞測序等新技術的湧現,讓科學家對細胞的觀測進入前所未有的精度。

北京時間時間3月26日淩晨,浙江大學醫學院幹細胞與再生醫學中心郭國驥團隊與浙江大學附屬醫院張丹團隊、王偉林團隊、陳江華團隊、梁廷波團隊和黃河團隊等聯合在頂級學術期刊《自然》(Nature)發表研究成果“Construction of a Human Cell Landscape at Single-cell Level”。

他們對60種人體組織樣品和7種細胞培養樣品進行了Microwell-seq高通量單細胞測序分析,系統性地繪製了跨越胚胎和成年兩個時期,涵蓋八大系統的人類細胞圖譜。該圖譜最終的使命是徹底改善人們對疾病的理解、診斷和治療。

值得注意的是,該成果是以“加快評審文章”(Accelerated Article Preview)的形式上線,顯示的投稿成功時間為2018年10月23日,接收時間為當地時間3月12日。該論文的第一作者包括浙江大學醫學院韓曉平副教授、17級碩士生周子茗、19級博士生費麗江、17級直博生孫慧宇、18級博士生汪仁英、16級直博生陳瑤、博士後陳海德和王晶晶。通訊作者為郭國驥和韓曉平。

郭國驥在接受澎湃新聞記者(www.thepaper.cn)採訪時表示,“該工作是人類細胞圖譜計劃里非常重要的階段性成果,構建了人類細胞圖譜的基本框架,對未來圖譜的進一步完善具有指導性意義。”他同時提到,“該成果由中國人先完成也體現了我國在相關領域的實力。”

人類細胞圖譜(Human Cell Atlas)是生命科學領域近年來興起的國際大科學計劃。“長遠來說,人類細胞圖譜計劃旨在描述人體中每個細胞(約37萬億個)的詳細特徵,呈現不同類型細胞在人體組織的3D結構,勾勒所有人體系統的相互聯繫,揭示圖譜變化與健康和疾病的關係。人類細胞圖譜計劃將徹底改善人們對疾病的理解、診斷和治療。”郭國驥表示。

這項大科學計劃也被認為堪比人類基因組計劃,該計劃提出之初主要由英美科學家主導。2017年10月,美國麻省理工學院-哈佛大學博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)的計算生物學家Aviv Regev、英國威康信託桑格研究所細胞遺傳學負責人(Wellcome Trust Sanger Institute)Sarah A. Teichmann在論文預印本平台bioRxiv發表了一篇文章,文章標題即為“The Human Cell Atlas”,系統論述了HCA的意義、目標、任務和實施路徑。而在公開發表該文章的近一年之前,Regev等人在英國倫敦召開了一次關於該計劃的會議。

現年37歲的郭國驥為浙江大學醫學院幹細胞與再生醫學中心教授、博士生導師,浙江大學附屬第一醫院雙聘教授,浙江大學醫學院幹細胞與再生醫學中心副主任,浙江大學血液學研究所副所長。

他於2005年本科畢業於武漢大學,2010年畢業於新加坡國立大學獲得理學博士學位。之後赴美國哈佛大學醫學院從事博士後研究工作,2014年入職浙江大學醫學院。

2017年獲“國家優秀青年基金”,2019年入選“萬人計劃”科技創新領軍人才,曾獲“樹蘭醫學青年獎”,“霍英東青年教師獎”,“細胞生物學會青年科學家獎”等榮譽。

郭國驥是該領域的“老將”,也是一匹“黑馬”。早在新加坡國立大學讀博期間,郭國驥就進入了單細胞組學領域,其一直致力於單細胞分析技術的開發與應用。就在回國3年多之後,其帶領團隊在國際頂級學術期刊《細胞》(Cell)發表了讓國際科學界意想不到的一項成果,構建了首張哺乳動物細胞圖譜,在全球競爭激烈的形勢下搶下一棒。這項成果讓中國在高通量單細胞測序領域由幾乎空白走向了“世界首創”。

郭國驥表示,“我們團隊曾經發表首張小鼠細胞圖譜,並對哺乳動物的組織結構和細胞類型有了較深刻的認識,這使得我們有經驗有信心完成該研究。另一方面,我們使用了自主構建的Microwell-seq單細胞分析平台,而沒有使用商品化的10XGenomics儀器,也沒有使用流式分選儀器,這使得我們單細胞分析的成本降低了一個數量級,從而有資源完成該研究。”

當然,他同樣提到,“我們團隊非常的勤奮,否則一切都不可能實現。”

2年前構建世界首張哺乳動物細胞圖譜

2018年2月23日,郭國驥率領的團隊在國際頂級學術期刊《細胞》(Cell)發表學術論文,世界範圍內構建了第一張哺乳動物細胞圖譜。彼時,距離郭國驥從哈佛醫學院回國加入浙江大學才剛過3年。

其團隊對小鼠近50種器官組織的40餘萬個單細胞進行了系統性的單細胞轉錄組分析,構建了首個哺乳動物細胞圖譜。

該圖譜中涵蓋了哺乳動物體內的各種主要細胞類型,並對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。

這項成果當時在細胞圖譜研究領域具有里程碑意義,也讓曾一度有先發優勢的歐美科研機構意外。

當時這項工作有一項關鍵技術是單細胞測序平台的搭建,人類細胞圖譜被認為日益具有可行性的背後正是單細胞測序技術的成熟。在此技術出現之前,傳統的測序技術只能“看”到成群的細胞,單個細胞的特異性表現容易被忽略。

單細胞測序技術的出現對傳統的細胞認知體繫帶來了革命性的變化,並能夠對單個細胞內高丰度的基因轉錄物質進行無差別的分析,從而建立一個普適性的細胞分類系統。

郭國驥團隊彼時耗時一年多,自主搭建了一套完全國產化的Microwell-seq高通量單細胞測序平台。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少、容易丟失、分析成本高的難題。

郭國驥當時表示,“以往分析一個細胞需要100元人民幣,而現在我們所研製的平台只需要1元錢。而且精度比美國目前最先進的設備還要高。”

不過,他們的平台一直在不斷優化,而人類細胞圖譜也依然存在諸多技術障礙。郭國驥對澎湃新聞記者表示,“單細胞測序的成本依然太高,通量不夠,精度較低,批次效應的問題也有待解決。對於空間轉錄組分析技術來說,實驗操作相對複雜,解像度和視野範圍較難平衡,不同組織的普適性有待提升。對於單細胞多組學分析技術來說,實驗通量偏低,數據的穩定性尚有待提升。

首次從單細胞水平全面分析胚胎和成年時期的人體細胞種類

人體細胞均攜帶同樣的基礎遺傳信息,但是它們表達的基因大相逕庭,而細胞所表達的基因定義了該細胞的功能。人體的單細胞基因表達圖譜有望幫助我們理解這些細胞的功能以及影響細胞活動的因素。

包括郭國驥團隊在內的全球實驗室此前也陸續繪製出了一些動物的細胞圖譜和人體單個組織類型的細胞圖譜。正是在上述小鼠細胞圖譜工作的基礎之上,研究團隊繼續對60種人體組織樣品和7種細胞培養樣品進行了Microwell-seq高通量單細胞測序分析,系統性地繪製了跨越胚胎和成年兩個時期,涵蓋八大系統的人類細胞圖譜。

他們充分利用了Microwell-seq成本低廉、雙細胞汙染率低和細胞普適性廣等優勢,建立了70多萬個單細胞的轉錄組數據庫,鑒定了人體100餘種細胞大類和800餘種細胞亞類。基於該數據庫,團隊開發了scHCL(單細胞人類細胞圖譜)單細胞比對系統用於人體細胞類型的識別,並搭建了人類細胞藍圖網站http://bis.zju.edu.cn/HCL/(國家基因庫鏡像https://db.cngb.org/HCL/)。

郭國驥表示,“我們發現,多種成人的上皮、內皮和基質細胞在組織中似乎扮演著免疫細胞的角色。趨化因子陽性上皮細胞,抗原呈遞陽性內皮細胞和白介素陽性成纖維細胞廣泛的分佈在成體的各種組織器官之中,並在分類上獨立於傳統的上皮、內皮、基質和免疫細胞。”

“我們認為成年人非免疫細胞的廣泛免疫激活是人體區域免疫的一種重要調節機製。”

通過跨時期、跨組織和跨物種的細胞圖譜分析,研究團隊還揭示了一個普適性的哺乳動物細胞命運決定機製:幹細胞和祖細胞的轉錄狀態混雜且隨機,分化和成熟細胞的轉錄狀態分明且穩定,基因組中的調節子預先決定了分化終端的穩定狀態。

值得注意的是,這項研究首次從單細胞水平上全面分析了胚胎和成年時期的人體細胞種類,研究數據將成為探索細胞命運決定機製的資源寶庫,研究方法將對人體正常與疾病細胞狀態的鑒定帶來深遠影響。

研究團隊同時指出,這項研究尚存在局限,即每種組織的細胞樣本體量不大。 郭國驥說,“我們的工作在測序深度上存在一定局限性,但是在跨組織和跨物種的數據可比性上有較大優勢。完美版的人類細胞圖譜還應該整合空間信息,多組學數據和人群分析,這需要全世界科學家的共同努力。”

宏大的“人類細胞圖譜”計劃

20世紀70年代,英國發育生物學家John Sulston耗費18個月用光學顯微鏡觀察線蟲的發育,他每隔5分鍾畫出他看到的現象,最終數百幅圖譜解釋了線蟲的早期發育過程。根據這些圖及其他信息,Sulston等人描繪了迄今為止多細胞生物種類中一個最為完整的細胞譜系圖,濃縮了線蟲近千個細胞的命運。

正因為這項工作,Sulston在60歲的時候,也就是在2002年斬獲了諾貝爾生理或醫學獎。

在距離Sulston用顯微鏡觀察線蟲發育半個世紀之後,美國麻省理工學院-哈佛大學博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)的計算生物學家Aviv Regev、英國威康信託桑格研究所細胞遺傳學負責人(Wellcome Trust Sanger Institute)Sarah A. Teichmann等人在英國倫敦召開了一次會議,建議實施一個遠比線蟲細胞譜系研究宏大的“人類細胞圖譜”(Human Cell Atlas,HCA)的國際合作研究計劃。

HCA計劃被認為堪比“人類基因組計劃”。這次會議召開10個月之後,即2017年8月,Regev等人在論文預印本平台bioRxiv發表了一篇文章,文章標題即為“The Human Cell Atlas”,系統論述了HCA的意義、目標、任務和實施路徑。

HCA提出的基本目標是:採用特定的分子表達譜來確定人體的所有細胞類型,並將此類信息與經典的細胞空間位置和形態的描述連接起來。他們提出的終極目標是:確定人體中的每一個細胞;確定每個細胞的空間位置;通過細胞譜系確定在人的一生中每一時刻出現過的每個細胞;根據健康狀態、基因型、生活方式和外界環境的不同,對每一個個體的細胞圖譜進行註釋。

然而,這份工作是龐大而複雜的。中科院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所研究員、中科院系統生物學重點實驗室主任吳家睿在2018年11月發表的一篇文章中指出:可以這樣說,這一終極目標的實現意味著生命科學的終結。

值得注意的是,在2003年宣佈完成的國際“人類基因組計劃”中,中國通過積極爭取最終獲準加入,最後負責完成全部序列的1% ,即3號染色體上的3000萬個堿基對,中國也因此成為參與這一被譽為生命科學“登月計劃”的唯一發展中國家。

同樣,在上述發表在bioRxiv平台上的這篇文章中,62家作者單位基本為美國和英國的研究機構,但沒有一家來自中國的科研機構位列其中。

郭國驥對澎湃新聞記者表示,人類細胞圖譜的倡議是一個開放性的倡議,中國科學家在這項計劃中並沒有非常明確的分工,“但由於我國單細胞組學領域實力較強,未來中國科學家的工作必然會為最終版的人類細胞圖譜做出巨大的貢獻。”

對於此次論文成果,他表示,“我們的這項工作系統性地完成了第一稿人類細胞圖譜,應該屬於相關領域非常重要的成果。”

值得一提的是,也就在2017年10月,Facebook創始人馬克·朱克伯格與其夫人普莉希拉·陳分別在其個人Facebook上宣佈,兩人成立的陳-朱克伯格基金會(CZI)決定資助“人類細胞圖譜計劃”的首批38個項目。這也成為當年全球生物領域熱門話題。

論文原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2157-4

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