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首个哺乳动物细胞图谱在浙大诞生

撰文 | 涵    冰

责编 | 叶水送

世界上没有两片相同的树叶,细胞也一样。科学的进步让我们“读懂”生命体的每一个细胞成为了可能。

2月23日,国际学术期刊Cell刊登浙大医学院干细胞与再生医学中心郭国骥教授团队的研究成果:Mapping the Mouse Cell Atlas by Microwell-seq(利用微孔板测序技术构建小鼠细胞图谱)。该团队自主研发低成本、高效率、完全国产化的高通量单细胞测序平台Microwell-seq,并在短时间内利用这一平台构建了全球首个哺乳动物的细胞图谱。

 

从看一群细胞到看单个细胞

 

细胞是生命最小的独立遗传单位。生命体从一个受精卵开始分裂,逐渐发育成个体,细胞之间的差异也随之增大,承担不同的功能。即使相同功能的细胞也存在差异。极端的例子是,肿瘤细胞最初是由一个正常细胞变异而来。

 

传统的测序技术“看”的是一组一组、成群的细胞,“读”的是一堆细胞遗传信号的均值,因此单个细胞的特异性表现容易被忽略。

 

单细胞测序通过“读”取单个细胞的遗传信息,很好地应对细胞群体异质性问题。正因为如此,近年来,单细胞测序技术成为各国科学家研究的热点,并进一步推动了人类对于生命奥秘的认知。

 

郭国骥认为,单细胞组学技术使人类能够从单个细胞的视角,精确地解析细胞的分化、再生、衰老以及病变,“这类技术正带来一场细胞检测、分类和鉴定的方法学革命”。

 

2017年10月,美国科学家联合多国科学家启动 “人类细胞图谱计划(Human Cell Atlas,HCA),设想对人体中所有细胞进行分类和测序,系统地描绘人体细胞图谱,并通过这把钥匙来加深对疾病诊断、监测、治疗的了解。Facebook创始人马克·扎克伯格出资支持这项计划,并将其与“人类基因组计划”媲美。在过去几年中,单细胞测序已在检测肿瘤变异、利用胚胎细胞进行产前诊断方面展现出广阔的前景。

 

如何快速高效检测单个细胞

 

在细胞图谱计划面前,各国科学家雄心勃勃,争相开发出高水平的单细胞测序平台。其中一个关键问题是:如何快速高效地检测单个的细胞,才能拼完这幅巨量的“超级拼图”。

 

郭国骥说,“我们利用微孔矩阵、分子标记和扩增技术,高通量、高精度地实现单细胞水平分析,解决了传统测序中单个细胞核酸物质少、容易丢失、分析成本高的难题。” 

 

这项研究的第一作者韩晓平博士向笔者展示了一块边长三厘米的正方形薄片——一块琼脂糖做的微孔板,“上面有10万个直径30微米的‘小坑’。”在研究中,科学家先用消化酶将一团相对紧实的细胞解离成单个细胞的悬浮液,然后倾倒到琼脂糖微孔板上,“大约有1万个细胞会‘一个萝卜一个坑’地落入‘坑’中。”这是第一步:捕获单个细胞。此后,研究者为每一个被捕获的细胞贴上“编号”,称为磁珠索引,数万个直径为25微米的磁珠落入“坑”中,封住了单个细胞,同时为单个细胞标记上了DNA索引。第三步是常规的测序流程,每个细胞的表达谱将得到解析。在这项技术中,团队测的是单个细胞所有的信使RNA,这是细胞的重要物质,能将DNA的遗传信息翻译成蛋白质。

 

当初在准备索引磁珠时,研究组找遍中国的生物技术公司,没有一家能做。于是,研究组决定自己合成。郭国骥说:“在这个过程中,我们发现大量的索引引物不完整,却一直找不到原因。”经过一个多月的排查,发现原来是用错了DNA聚合酶。换了高保真酶DNA聚合酶之后,一切迎刃而解。

 

郭国骥认为,Microwell-seq技术平台操作简单、成本低廉,必将推动前沿单细胞测序技术在基础科研和临床诊断的普及和应用,“从前分析一个细胞需要大概100元人民币,而现在我们所研制的平台只需要不到2元。且实验操作更为快捷、简便。” 

 

构建首个哺乳动物细胞图谱

 

研究者对小鼠不同生命阶段的近50种器官组织的40余万个细胞进行了系统性的单细胞转录组分析,构建了首个哺乳动物细胞图谱。 

 

对小鼠的主要细胞类型,每一种器官内的组织细胞亚型、基质细胞亚型、血管内皮细胞亚型和免疫细胞亚型进行了详细的描述。查看http://bis.zju.edu.cn/MCA/网站,就可以看到这张细胞地图。

 

研究发现,来自于不同组织的基质细胞,拥有完全不同的基因表达特征,对组织特异性微环境行使重要的调节作用。这提示科学家,在组织工程和器官修复过程中不能只考虑组织细胞,必须同时修复相应的基质细胞体系。

 

“人类对于生命的认知就像对浩淼宇宙的探索,单细胞测序赋予我们更为特殊的‘观测’手段,去探索生命体 ‘星空’中不曾发现的重要物质。”郭国骥说。

 

在审稿过程中, Cell杂志的三位评审专家对这项工作一致性地给出了“impressive”的评价,并认为“小鼠图谱必将成为用途广泛的生物数据资源”。

 

小鼠细胞图谱的完成,也将对下一步人类细胞图谱的构建带来指导性意义,并惠及细胞生物学、发育生物学、神经生物学、血液学和再生医学等多个领域。



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