中国构建首个人类细胞图谱基本框架 80后浙大学者领衔

2020-03-26 13:12:12 来源: 澎湃新闻 举报
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(原标题:中国构建首个人类细胞图谱基本框架,“80后”浙大学者领衔)

澎湃新闻记者 贺梨萍

细胞是生命的基本单位。由六国科学家参与的人类基因组计划(HGP)完成之后,我们初步掌握了遗传“密码本”,但时至今日,人类尚未能一窥自己的细胞图谱。近年来,单细胞测序等新技术的涌现,让科学家对细胞的观测进入前所未有的精度。

北京时间3月26日凌晨,浙江大学医学院干细胞与再生医学中心郭国骥团队与浙江大学附属医院张丹团队、王伟林团队、陈江华团队、梁廷波团队和黄河团队等联合在顶级学术期刊《自然》(Nature)发表研究成果“Construction of a Human Cell Landscape at Single-cell Level”。

他们对60种人体组织样品和7种细胞培养样品进行了Microwell-seq高通量单细胞测序分析,系统性地绘制了跨越胚胎和成年两个时期,涵盖八大系统的人类细胞图谱。该图谱最终的使命是彻底改善人们对疾病的理解、诊断和治疗。

值得注意的是,该成果是以“加快评审文章”(Accelerated Article Preview)的形式上线,接收时间为当地时间3月12日。该论文的第一作者包括浙江大学医学院韩晓平副教授、17级硕士生周子茗、19级博士生费丽江、17级直博生孙慧宇、18级博士生汪仁英、16级直博生陈瑶、博士后陈海德和王晶晶。通讯作者为郭国骥和韩晓平。

郭国骥在接受澎湃新闻记者(www.thepaper.cn)采访时表示,“该工作是人类细胞图谱计划里非常重要的阶段性成果,构建了人类细胞图谱的基本框架,对未来图谱的进一步完善具有指导性意义。”他同时提到,“该成果由中国人先完成也体现了我国在相关领域的实力。”

人类细胞图谱(Human Cell Atlas)是生命科学领域近年来兴起的国际大科学计划。“长远来说,人类细胞图谱计划旨在描述人体中每个细胞(约37万亿个)的详细特征,呈现不同类型细胞在人体组织的3D结构,勾勒所有人体系统的相互联系,揭示图谱变化与健康和疾病的关系。人类细胞图谱计划将彻底改善人们对疾病的理解、诊断和治疗。”郭国骥表示。

这项大科学计划也被认为堪比人类基因组计划,该计划提出之初主要由英美科学家主导。2017年10月,美国麻省理工学院-哈佛大学博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)的计算生物学家Aviv Regev、英国威康信托桑格研究所细胞遗传学负责人(Wellcome Trust Sanger Institute)Sarah A. Teichmann在论文预印本平台bioRxiv发表了一篇文章,文章标题即为“The Human Cell Atlas”,系统论述了HCA的意义、目标、任务和实施路径。而在公开发表该文章的近一年之前,Regev等人在英国伦敦召开了一次关于该计划的会议。

现年37岁的郭国骥为浙江大学医学院干细胞与再生医学中心教授、博士生导师,浙江大学附属第一医院双聘教授,浙江大学医学院干细胞与再生医学中心副主任,浙江大学血液学研究所副所长。

他于2005年本科毕业于武汉大学,2010年毕业于新加坡国立大学获得理学博士学位。之后赴美国哈佛大学医学院从事博士后研究工作,2014年入职浙江大学医学院。

2017年获“国家优秀青年基金”,2019年入选“万人计划”科技创新领军人才,曾获“树兰医学青年奖”,“霍英东青年教师奖”,“细胞生物学会青年科学家奖”等荣誉。

郭国骥

郭国骥是该领域的“老将”,也是一匹“黑马”。早在新加坡国立大学读博期间,郭国骥就进入了单细胞组学领域,其一直致力于单细胞分析技术的开发与应用。就在回国3年多之后,其带领团队在国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)发表了让国际科学界意想不到的一项成果,构建了首张哺乳动物细胞图谱,在全球竞争激烈的形势下抢下一棒。这项成果让中国在高通量单细胞测序领域由几乎空白走向了“世界首创”。

郭国骥表示,“我们团队曾经发表首张小鼠细胞图谱,并对哺乳动物的组织结构和细胞类型有了较深刻的认识,这使得我们有经验有信心完成该研究。另一方面,我们使用了自主构建的Microwell-seq单细胞分析平台,而没有使用商品化的10XGenomics仪器,也没有使用流式分选仪器,这使得我们单细胞分析的成本降低了一个数量级,从而有资源完成该研究。”

当然,他同样提到,“我们团队非常的勤奋,否则一切都不可能实现。”

2年前构建世界首张哺乳动物细胞图谱

2018年2月23日,郭国骥率领的团队在国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)发表学术论文,世界范围内构建了第一张哺乳动物细胞图谱。彼时,距离郭国骥从哈佛医学院回国加入浙江大学才刚过3年。

其团队对小鼠近50种器官组织的40余万个单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。

该图谱中涵盖了哺乳动物体内的各种主要细胞类型,并对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。

这项成果当时在细胞图谱研究领域具有里程碑意义,也让曾一度有先发优势的欧美科研机构意外。

当时这项工作有一项关键技术是单细胞测序平台的搭建,人类细胞图谱被认为日益具有可行性的背后正是单细胞测序技术的成熟。在此技术出现之前,传统的测序技术只能“看”到成群的细胞,单个细胞的特异性表现容易被忽略。

单细胞测序技术的出现对传统的细胞认知体系带来了革命性的变化,并能够对单个细胞内高丰度的基因转录物质进行无差别的分析,从而建立一个普适性的细胞分类系统。

郭国骥团队彼时耗时一年多,自主搭建了一套完全国产化的Microwell-seq高通量单细胞测序平台。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。

郭国骥当时表示,“以往分析一个细胞需要100元人民币,而现在我们所研制的平台只需要1元钱。而且精度比美国目前最先进的设备还要高。”

不过,他们的平台一直在不断优化,而人类细胞图谱也依然存在诸多技术障碍。郭国骥对澎湃新闻记者表示,“单细胞测序的成本依然太高,通量不够,精度较低,批次效应的问题也有待解决。对于空间转录组分析技术来说,实验操作相对复杂,分辨率和视野范围较难平衡,不同组织的普适性有待提升。对于单细胞多组学分析技术来说,实验通量偏低,数据的稳定性尚有待提升。

首次从单细胞水平全面分析胚胎和成年时期的人体细胞种类

人体细胞均携带同样的基础遗传信息,但是它们表达的基因大相径庭,而细胞所表达的基因定义了该细胞的功能。人体的单细胞基因表达图谱有望帮助我们理解这些细胞的功能以及影响细胞活动的因素。

包括郭国骥团队在内的全球实验室此前也陆续绘制出了一些动物的细胞图谱和人体单个组织类型的细胞图谱。正是在上述小鼠细胞图谱工作的基础之上,研究团队继续对60种人体组织样品和7种细胞培养样品进行了Microwell-seq高通量单细胞测序分析,系统性地绘制了跨越胚胎和成年两个时期,涵盖八大系统的人类细胞图谱。

他们充分利用了Microwell-seq成本低廉、双细胞污染率低和细胞普适性广等优势,建立了70多万个单细胞的转录组数据库,鉴定了人体100余种细胞大类和800余种细胞亚类。基于该数据库,团队开发了scHCL(单细胞人类细胞图谱)单细胞比对系统用于人体细胞类型的识别,并搭建了人类细胞蓝图网站https://bis.zju.edu.cn/HCL/(国家基因库镜像https://db.cngb.org/HCL/)。

郭国骥表示,“我们发现,多种成人的上皮、内皮和基质细胞在组织中似乎扮演着免疫细胞的角色。趋化因子阳性上皮细胞,抗原呈递阳性内皮细胞和白介素阳性成纤维细胞广泛的分布在成体的各种组织器官之中,并在分类上独立于传统的上皮、内皮、基质和免疫细胞。”

“我们认为成年人非免疫细胞的广泛免疫激活是人体区域免疫的一种重要调节机制。”

通过跨时期、跨组织和跨物种的细胞图谱分析,研究团队还揭示了一个普适性的哺乳动物细胞命运决定机制:干细胞和祖细胞的转录状态混杂且随机,分化和成熟细胞的转录状态分明且稳定,基因组中的调节子预先决定了分化终端的稳定状态。

值得注意的是,这项研究首次从单细胞水平上全面分析了胚胎和成年时期的人体细胞种类,研究数据将成为探索细胞命运决定机制的资源宝库,研究方法将对人体正常与疾病细胞状态的鉴定带来深远影响。

研究团队同时指出,这项研究尚存在局限,即每种组织的细胞样本体量不大。 郭国骥说,“我们的工作在测序深度上存在一定局限性,但是在跨组织和跨物种的数据可比性上有较大优势。完美版的人类细胞图谱还应该整合空间信息,多组学数据和人群分析,这需要全世界科学家的共同努力。”

宏大的“人类细胞图谱”计划

20世纪70年代,英国发育生物学家John Sulston耗费18个月用光学显微镜观察线虫的发育,他每隔5分钟画出他看到的现象,最终数百幅图谱解释了线虫的早期发育过程。根据这些图及其他信息,Sulston等人描绘了迄今为止多细胞生物种类中一个最为完整的细胞谱系图,浓缩了线虫近千个细胞的命运。

正因为这项工作,Sulston在60岁的时候,也就是在2002年斩获了诺贝尔生理或医学奖。

在距离Sulston用显微镜观察线虫发育半个世纪之后,美国麻省理工学院-哈佛大学博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)的计算生物学家Aviv Regev、英国威康信托桑格研究所细胞遗传学负责人(Wellcome Trust Sanger Institute)Sarah A. Teichmann等人在英国伦敦召开了一次会议,建议实施一个远比线虫细胞谱系研究宏大的“人类细胞图谱”(Human Cell Atlas,HCA)的国际合作研究计划。

HCA计划被认为堪比“人类基因组计划”。这次会议召开10个月之后,即2017年8月,Regev等人在论文预印本平台bioRxiv发表了一篇文章,文章标题即为“The Human Cell Atlas”,系统论述了HCA的意义、目标、任务和实施路径。

HCA提出的基本目标是:采用特定的分子表达谱来确定人体的所有细胞类型,并将此类信息与经典的细胞空间位置和形态的描述连接起来。他们提出的终极目标是:确定人体中的每一个细胞;确定每个细胞的空间位置;通过细胞谱系确定在人的一生中每一时刻出现过的每个细胞;根据健康状态、基因型、生活方式和外界环境的不同,对每一个个体的细胞图谱进行注释。

然而,这份工作是庞大而复杂的。中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员、中科院系统生物学重点实验室主任吴家睿在2018年11月发表的一篇文章中指出:可以这样说,这一终极目标的实现意味着生命科学的终结。

值得注意的是,在2003年宣布完成的国际“人类基因组计划”中,中国通过积极争取最终获准加入,最后负责完成全部序列的1% ,即3号染色体上的3000万个碱基对,中国也因此成为参与这一被誉为生命科学“登月计划”的唯一发展中国家。

同样,在上述发表在bioRxiv平台上的这篇文章中,62家作者单位基本为美国和英国的研究机构,但没有一家来自中国的科研机构位列其中。

郭国骥对澎湃新闻记者表示,人类细胞图谱的倡议是一个开放性的倡议,中国科学家在这项计划中并没有非常明确的分工,“但由于我国单细胞组学领域实力较强,未来中国科学家的工作必然会为最终版的人类细胞图谱做出巨大的贡献。”

对于此次论文成果,他表示,“我们的这项工作系统性地完成了第一稿人类细胞图谱,应该属于相关领域非常重要的成果。”

值得一提的是,也就在2017年10月,Facebook创始人马克·扎克伯格与其夫人普莉希拉·陈分别在其个人Facebook上宣布,两人成立的陈-扎克伯格基金会(CZI)决定资助“人类细胞图谱计划”的首批38个项目。这也成为当年全球生物领域热门话题。

论文原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2157-4

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王凤枝 本文来源:澎湃新闻 责任编辑:王凤枝_NT2541
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