人類細(xì)胞圖譜(HCA)計(jì)劃的目標(biāo)是繪制出人體中的每種細(xì)胞類型，從而改變我們對生物學(xué)、感染和疾病的認(rèn)識。美國《科學(xué)》雜志13日連發(fā)四篇論文，描述了國際HCA聯(lián)盟研究人員已創(chuàng)建出人體33個器官和系統(tǒng)中超過一百萬個細(xì)胞的高度詳細(xì)的圖譜。該圖譜的完成為人類健康和疾病(包括免疫系統(tǒng))提供了新的生物學(xué)見解，被認(rèn)為是單細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域取得的一個里程碑式的進(jìn)步。

這些互補(bǔ)的多組織細(xì)胞圖譜將有助于形成單一的人類細(xì)胞圖譜，并具有許多治療意義，或?qū)椭茖W(xué)家重新認(rèn)識常見和罕見疾病、疫苗開發(fā)、抗腫瘤免疫學(xué)和再生醫(yī)學(xué)。這些圖譜已開放獲取，允許研究人員詳細(xì)比較人體全身的特定細(xì)胞，揭示新的細(xì)胞功能。

深入研究跨組織的免疫系統(tǒng)

在《科學(xué)》合集的第一篇論文中，英國劍橋大學(xué)威康·桑格研究所研究人員及其合作者對來自12個成年器官捐贈者的16個組織中的330000個免疫細(xì)胞的RNA逐一進(jìn)行了測序，以了解免疫細(xì)胞在不同組織中的功能。

在創(chuàng)建人體內(nèi)免疫細(xì)胞的精選目錄后，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)工具CellTypist來自動識別細(xì)胞類型。使用該工具，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，以及它們在不同組織中的分布。

HCA聯(lián)盟委員會聯(lián)合主席、威康桑格研究所細(xì)胞遺傳學(xué)負(fù)責(zé)人薩拉·鐵奇曼博士說：“通過HCA對細(xì)胞的詳細(xì)了解，將有助于解釋人類健康和疾病的方方面面。通過比較來自同一供體的多個組織中的特定免疫細(xì)胞，我們確定了身體不同區(qū)域中不同類型的記憶T細(xì)胞，這可能對控制感染產(chǎn)生重大影響。”

在《科學(xué)》合集的第二項(xiàng)研究中，桑格研究所研究人員和合作者創(chuàng)建了一個跨越9個器官的人類免疫系統(tǒng)發(fā)育圖譜，揭示了參與血液和免疫細(xì)胞形成的組織，這將增強(qiáng)人們對免疫疾病的理解。它還揭示了隨著人體生長而丟失的細(xì)胞類型，為體外細(xì)胞工程和再生醫(yī)學(xué)研究提供了信息。

研究人員使用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和單細(xì)胞RNA測序來繪制特定細(xì)胞在發(fā)育組織中的確切位置。研究人員識別出一種新型的B細(xì)胞，以及出現(xiàn)在生命早期階段的獨(dú)特T細(xì)胞。該團(tuán)隊(duì)使用來自其他人類細(xì)胞圖譜研究的數(shù)據(jù)，證明了這些特定的免疫細(xì)胞并不會在成人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)。

冷凍組織的圖譜揭示罕見和常見疾病基因

單細(xì)胞圖譜的目標(biāo)之一是繪制特定細(xì)胞類型，其中包括在整個人體中發(fā)揮作用的疾病基因，如導(dǎo)致肌肉萎縮癥等罕見疾病或?qū)е滦呐K病等常見疾病風(fēng)險的基因。它需要對所有細(xì)胞類型進(jìn)行分析，包括難以捕獲的骨骼肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和神經(jīng)元。來自大量個體的細(xì)胞也很重要，需要科學(xué)家在分析前收集和冷凍組織。

在《科學(xué)》合集的第三項(xiàng)研究中，美國哈佛博德研究所研究人員及其合作者揭示了他們?nèi)绾蝺?yōu)化單核RNA測序以克服使用冷凍細(xì)胞帶來的挑戰(zhàn)，他們創(chuàng)建了一個跨組織圖譜來分析來自多個冷凍儲存組織的200000個細(xì)胞，重點(diǎn)關(guān)注罕見和常見疾病基因。然后，該團(tuán)隊(duì)使用新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)地將圖譜中的細(xì)胞與6000種單基因疾病和2000種復(fù)雜的遺傳疾病和性狀相關(guān)聯(lián)，以識別可能與疾病有關(guān)的細(xì)胞類型和基因程序，從而揭示了研究健康和疾病的多個新起點(diǎn)。

HCA聯(lián)盟聯(lián)合主席艾偉福·雷杰夫博士說：“我們的單核人類細(xì)胞圖譜研究展示了一種強(qiáng)大的規(guī)模方法，可通過深度學(xué)習(xí)計(jì)算的進(jìn)步來分析全身冷凍組織樣本中的細(xì)胞，并為在單細(xì)胞水平上研究來自整個患者群組的組織開辟了道路。通過直接將細(xì)胞與人類疾病生物學(xué)和跨組織疾病風(fēng)險基因聯(lián)系起來，我們能夠?yàn)槔斫舛喾N疾病創(chuàng)建新的路線圖。”

廣泛的跨組織細(xì)胞圖譜TabulaSapiens

《科學(xué)》合集中的最后一篇論文描述了來自陳·扎克伯格生物中心研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)大型的跨組織研究。該團(tuán)隊(duì)使用活細(xì)胞的單細(xì)胞RNA測序來分析來自同一供體的許多器官，這使得跨組織比較能夠控制遺傳背景、年齡和環(huán)境影響。近50萬個細(xì)胞的集合提供了來自活細(xì)胞的獨(dú)特廣泛的跨組織圖譜，并創(chuàng)建了一個被研究人員稱為TabulaSapiens的數(shù)據(jù)集。

TabulaSapiens數(shù)據(jù)集詳細(xì)描述了400多種特定細(xì)胞類型、它們的分布和跨組織基因表達(dá)的變化。此外，通過對活細(xì)胞的分析，研究人員還實(shí)現(xiàn)了對單細(xì)胞圖譜中替代基因剪接的首次大規(guī)模分析。該研究提供了大量經(jīng)人類專家注釋的細(xì)胞資源，這將為基礎(chǔ)生物學(xué)和疾病研究提供重要的新見解。

陳·扎克伯格生物中心主任、斯坦福大學(xué)生物工程和應(yīng)用物理學(xué)教授斯蒂芬·考克教授說：“TabulaSapiens是一個參考圖譜，提供了人體24個器官的數(shù)百種細(xì)胞類型。科學(xué)界將在未來許多年從這一資源中發(fā)現(xiàn)對人類生物學(xué)的新見解。”

HCA跨組織數(shù)據(jù)和工具開放獲取

HCA是一個國際合作聯(lián)盟，旨在繪制健康人體中的細(xì)胞類型圖譜，為研究健康和疾病提供前所未有的資源。HCA是一個開放的、前沿的、以科學(xué)家為主導(dǎo)的聯(lián)盟，擁有來自全球83個國家的2300多名成員。

HCA數(shù)據(jù)已開放獲取，全球研究人員可通過HCA數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)平臺，如劍橋細(xì)胞圖譜、博德單細(xì)胞門戶和加州大學(xué)圣塔克魯茲分校細(xì)胞瀏覽器訪問這些數(shù)據(jù)。

HCA聯(lián)盟成員、瑞典卡羅林斯卡學(xué)院司藤·林納森教授說：“人類細(xì)胞圖譜正在改變我們對生物學(xué)和疾病的理解。這些跨組織研究通過對發(fā)育和成年期的相同細(xì)胞類型進(jìn)行系統(tǒng)、深入的比較，是單細(xì)胞生物學(xué)研究的一個里程碑。它們是向涵蓋人體所有細(xì)胞類型的人類細(xì)胞圖譜邁出的一大步，為診斷、醫(yī)療保健和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的新時代奠定了基礎(chǔ)。”

(記者 張夢然)