人類發(fā)育細胞圖譜揭開胚胎發(fā)育“黑匣子”

　　近日，全球大型國際合作項目-人類發(fā)育細胞圖譜 (Human Developmental Cell Atlas，HDCA)計劃-在《自然》雜志發(fā)表評論文章。我國科學家浙江大學醫(yī)學院教授郭國驥參與其中，貢獻中國力量。

　　一年前，全球首張人類細胞圖譜在浙江大學繪制成功。郭國驥團隊的這項成果發(fā)表于《自然》。人類細胞圖譜計劃旨在全面解碼人體所有細胞（約37萬億個）的類型、數(shù)目、位置、相互關(guān)聯(lián)與分子組成等，勾勒人體八大系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)，揭示圖譜變化與健康和疾病的關(guān)系。

　　作為人類細胞圖譜（HCA）計劃的重要戰(zhàn)略，人類發(fā)育細胞圖譜(HDCA)計劃旨在構(gòu)建一個完整的人類發(fā)育（從受精卵到出生時完全成形的胎兒）過程中細胞基因時空表達的精細參考圖譜，建立全息人類胚胎發(fā)育信息網(wǎng)絡(luò)。

　　擬揭開人類胚胎發(fā)育“黑匣子”

　　論文作者之一郭國驥告訴《中國科學報》，“人類細胞圖譜計劃將比人類基因組計劃產(chǎn)生更為龐大的生命科學數(shù)據(jù)，同時也將面臨比人類基因組計劃更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。比如細胞圖譜繪制所常用的單細胞測序技術(shù)，無論是樣本采集處理過程，還是細胞標記測序過程，都會產(chǎn)生批次差異，這在一定程度上影響了圖譜數(shù)據(jù)的整合”。

　　“通過全球科學家的共同努力，以及來自多個地域和多個實驗室數(shù)據(jù)的比較分析，我們最終能夠?qū)崿F(xiàn)高精度人類細胞圖譜的宏偉目標?！?郭國驥表示。

　　目前現(xiàn)代發(fā)育生物學的研究大多集中在模式生物上，由于實際挑戰(zhàn)，人類的胚胎發(fā)育仍然是一個知之甚少的“黑匣子”。人類發(fā)育細胞圖譜（HDCA）的構(gòu)建對于理解正常的器官發(fā)生，突變、環(huán)境和傳染性疾病對人類發(fā)育的影響、先天性疾病，以及衰老、癌癥和再生醫(yī)學的基礎(chǔ)研究至關(guān)重要。

　　許多先天性疾病和兒童癌癥起源于易感的發(fā)育窗口；此外，人類胚胎的發(fā)育軌跡圖也可為人類干細胞模型、類器官和細胞療法提供重要的參考和指導。

　　人類發(fā)育的早期研究起始于胚胎的形態(tài)測量和定性評估，并依此構(gòu)建了卡內(nèi)基系統(tǒng)發(fā)育圖。成像、細胞計數(shù)和基因組學技術(shù)的進步為器官發(fā)生過程中復雜的時空變化提供了一定的見解。“近些年單細胞分析技術(shù)以前所未有的分辨率徹底提升了我們研究人類發(fā)育的能力?！惫鶉K說。

　　利用這些最新技術(shù)以單細胞的分辨率構(gòu)建人類發(fā)育的綜合參考圖譜是一項雄心勃勃的計劃，其規(guī)模與“人類基因組計劃”相似，都需要來自全球各個實驗室以及大型國家和國際研究聯(lián)盟的參與，同時也需要不同領(lǐng)域的多學科科學專業(yè)知識共同協(xié)作。

　　郭國驥表示，與人類細胞圖譜 (HCA)計劃一樣，人類發(fā)育細胞圖譜網(wǎng)站將由基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等多種數(shù)據(jù)類型組成，實現(xiàn)人類胚胎發(fā)育時空表達的細胞可視化，為全世界科學家提供免費共享的基礎(chǔ)科學資源數(shù)據(jù)庫。

　　人類發(fā)育細胞圖譜的構(gòu)建

　　人類發(fā)育細胞圖譜項目對實驗技術(shù)、計算分析和可視化算法方面提出了巨大的科學挑戰(zhàn)，特別是妊娠期前八周胚胎瞬時形態(tài)變化的捕捉。人類發(fā)育細胞圖譜 (HDCA)的一項主要工作是開發(fā)相關(guān)算法框架，以捕捉胚胎細胞和形態(tài)變化的整個發(fā)育過程。

　　此外，人類發(fā)育細胞圖譜將采用人類基因組計劃發(fā)起的大型科學項目的資助、實施、協(xié)調(diào)和共享方式，以及基于人類細胞圖譜（HCA）的倫理委員會和“生物網(wǎng)絡(luò)”。

　　這種組織框架使研究人員能夠形成跨技術(shù)和生物學科的大規(guī)模協(xié)調(diào)合作：包括發(fā)育生物學、胚胎學、遺傳學和模型系統(tǒng)、計算生物學、臨床專業(yè)（包括體外受精）、臨床遺傳學和病理學。

　　人類胚胎發(fā)育的整個過程是由三維空間和時間共同調(diào)控的。在體內(nèi)不能以高分辨率輕松評估人類胚胎發(fā)生，時序性研究又僅限于體外的植入前胚胎，這些問題將是我們成功構(gòu)建人類發(fā)育細胞圖譜所面臨的挑戰(zhàn)。高通量基因組學技術(shù)在原位進行分離細胞和組織切片的應(yīng)用，開始為發(fā)育生物學提供前所未有的高分辨率數(shù)據(jù)。

　　基于RNA、染色質(zhì)可及性、甲基化或特定蛋白質(zhì)的單細胞分子圖譜使細胞類型和狀態(tài)的定義更加細致入微。細胞類型的定義目前主要參考模式生物和成體細胞圖譜，但這些分析對于發(fā)育和分化過渡狀態(tài)期間存在的瞬態(tài)細胞類型不一定適用。

　　“為了克服這些挑戰(zhàn)，我們需要分析許多時間點，并且需要隨著時間的推移將定義的細胞狀態(tài)映射回其三維空間并進行功能表征。”郭國驥表示，對于完整的人類發(fā)育細胞圖譜（HDCA），高水平的多組學技術(shù)可以反映細胞分子概況、形態(tài)功能和其他特征的多方面狀態(tài)。

　　例如，轉(zhuǎn)錄組反映了細胞的現(xiàn)在和潛在的未來；蛋白質(zhì)表達捕捉細胞的過去和現(xiàn)在；染色質(zhì)圖譜揭示了其不變的類型和未來分化的潛力；個體譜系發(fā)育揭示了它的歷史。我們期待發(fā)育生物學朝著一致的細胞本體發(fā)展，整合空間轉(zhuǎn)錄組、單細胞測序、原位測序等多組學單細胞分析方法，繪制全面的三維發(fā)育細胞圖譜，還原真實的人類體內(nèi)胚胎發(fā)育分子進程。

　　人類發(fā)育細胞圖譜的臨床應(yīng)用

　　基因型和環(huán)境的相互作用是導致人類早期發(fā)育障礙的基礎(chǔ)。一系列兒童和成人疾病起源于胚胎時期，包括結(jié)構(gòu)性出生缺陷、神經(jīng)發(fā)育障礙（包括精神分裂癥）、兒童癌癥、先天性免疫缺陷、不育和性別發(fā)育差異，以及許多兒科疾病。

　　“眾多的罕見遺傳病在出生時都會出現(xiàn)一系列發(fā)育不良后遺癥，有時即使歸類為相同的疾病或病癥，其醫(yī)學表現(xiàn)也有很大差異。”郭國驥說。

　　例如，唐氏綜合征（21三體）和 22q11.2 缺失綜合征分別存在從青春期開始的精神分裂癥、阿爾茨海默病和甲狀腺功能減退癥的重大風險。由于我們對人類正常發(fā)育的了解有限，因此無法確定發(fā)育障礙的病因以及母體基因型、父親年齡和其他外部風險因素（如飲食、酒精、毒素、內(nèi)分泌干擾物和病原體）的影響。

　　人類發(fā)育細胞圖譜(HDCA)的構(gòu)建可以揭示兒童癌癥的發(fā)病機制。兒童和成人腦腫瘤通常會在發(fā)育早期階段出現(xiàn)程序異常。將腫瘤細胞的表達譜與人類發(fā)育細胞圖譜 (HDCA)進行比較可以確定癌細胞的起源及其致癌途徑。

　　例如，發(fā)育中的小鼠小腦的單細胞圖譜已被用于研究人類成神經(jīng)管細胞瘤的亞型，腎發(fā)生過程中的細胞狀態(tài)揭示了Wilms腫瘤的發(fā)育細胞起源。發(fā)育中免疫細胞的高分辨率圖譜將為兒童白血病和原發(fā)性免疫缺陷的疾病表型的分子基礎(chǔ)和發(fā)展程度提供了參考。許多成人癌癥也是由于人類早期發(fā)育程序失調(diào)導致的。

　　人類發(fā)育細胞圖譜 (HDCA)數(shù)據(jù)還可應(yīng)用于檢測病毒進入受體和蛋白酶在各個器官中的表達，幫助我們了解成人和胚胎時期對 SARS-CoV-2 的不同易感性。

　　用于臨床治療和再生醫(yī)學的細胞和組織工程是人類發(fā)育細胞圖譜 (HDCA)潛力巨大的應(yīng)用領(lǐng)域。源自人類多能干細胞的細胞療法正在進入治療帕金森病的早期臨床試驗，使用的方案是在發(fā)育基礎(chǔ)上改進的中腦多巴胺能神經(jīng)元的分化研究。

　　類似的方法催生了一系列用于人體試驗的其他干細胞產(chǎn)品，例如造血干細胞移植是許多血液病廣泛使用的治療方法，利用胚胎造血干細胞的造血潛能可以為血液病患者帶來實質(zhì)性益處。

　　相關(guān)論文信息：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-021-03620-1