突破丨浙大郭國驥組Cell報道首個哺乳動物細胞圖譜

本文轉載自「BioArt」。

長久以來，生命科學的研究主要基於群體細胞水平的分析，而且對於難以獲得大量研究材料的早期胚胎髮育研究來說存在許多困難。近幾年所湧現的單細胞組學技術，使我們能夠從單細胞水平上更為精確的解析細胞的分化、再生、衰老以及病變。單細胞組學技術正在帶來一場細胞檢測、分類和鑒定的方法學革命，其應用範圍從早期胚胎髮育擴大到組織器官發育、血液系統、免疫和腫瘤等多個領域。

最近幾年出現的用於高通量單細胞分子表達譜（high-throughput single-cell molecular profiling）的方法催生了科學共同體的一些共識，認為目前完成150年來鑒定人體所有細胞類型的努力的時機已經成熟，並提出了「人類細胞圖譜計劃」（「The Human Cell Atlas Project」），要對人體以及相關的模式動物所有的器官系統進行單細胞測序分析，鑒定出所有的細胞類型及其基因表達譜特徵（下圖）【1】。

浙江大學醫學院的青年才俊、80後教授郭國驥博士從十年前的博士期間就開始了對單細胞組學的探索，其博士期間的代表性論文首次利用單細胞系統生物學的方法解析了小鼠的著床前胚胎髮育全過程，論文中的單細胞數據聚類、降維、分群和擬時序分析等方法一直沿用至今【2】。在哈佛醫學院博士後期間, 他對更為複雜的小鼠血液系統進行單細胞圖譜的繪製工作【3】，並建立了新的造血幹細胞分化模型。回國後其迅速組建團隊並率先從單細胞水平上解析了小分子化合物組合誘導體細胞重編程的分子過程【4】，這似乎只是牛刀小試。

北京時間，2月23日凌晨，浙江大學醫學院幹細胞與再生醫學中心郭國驥團隊在Cell雜誌上發表了題為「Mapping the Mouse Cell Atlas by Microwell-seq」的研究論文，利用自主開發的一套完全國產化的Microwell-seq高通量單細胞測序平台，該團隊對來自小鼠近50種器官和組織的40餘萬個細胞進行了系統性的單細胞轉錄組分析，並構建了首個哺乳動物細胞圖譜。此外，在提升現有單細胞技術精確度的同時，該新技術的出現還使得單細胞測序文庫的構建成本降低了一個數量級。可以說，該論文可稱得上是單細胞組學領域裡程碑式的研究成果。

人體由200多種不同類型的細胞構成，每種細胞都有自己獨特的基因表達特點。而且即使是同一類型的細胞，由於所處微環境以及基因表達機器的隨機性也會呈現顯著的細胞異質性（cellular heterogeneity）。

二代測序技術的發展，使得研究人員可以進行高通量、低成本的轉錄組測序分析，然而這種常規的RNA-Seq技術需要上萬個細胞，而且所獲得的結果是一個大細胞群體基因表達的均值，難以從單細胞水平弄清楚基因表達的異質性。由於測序技術的飛速發展與突破，研究人員目前可以使用高效、低廉的測序方法在單細胞水平對全基因組、轉錄組、DNA甲基化組等進行深入分析。值得一提的是，北京大學湯富酬教授在博後期間基於前人單細胞cDNA擴增的方法【5,6】首次報道了基於高通量測序的單細胞RNA-Seq技術，分析了來自小鼠四細胞胚胎階段單個卵裂球的轉錄組【7】。

在最新的這項研究中，全面的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，繪製了一幅精美的「細胞地圖」。研究發現來自於不同組織的基質細胞，擁有完全不同的基因表達特徵，對組織特異性微環境行使重要的調節作用。同時該項工作構建了小鼠單細胞轉錄組資料庫以及小鼠細胞圖譜網站（http://bis.zju.edu.cn/MCA/）。該網站不僅擁有互動性的數據展示和基因搜索界面，還提供了強大的單細胞數據比對系統。任何單細胞表達譜數據都可以通過單細胞比對分析，尋找到它所對應的細胞類型和來源。這套系統將對細胞命運決定的機制性研究，再生醫學的移植前細胞鑒定以及臨床疾病的細胞水平診斷帶來深遠的影響。

郭國驥團隊利用光刻技術製作了微孔矩陣矽片，先使用PDMS材料製作微柱矩陣模塊，再利用瓊脂糖大規模製備單細胞捕獲用的微孔板。每個微孔板上大約有10萬個微孔，能同時捕獲約1萬個單細胞。之後每個孔都會落入大小與孔徑匹配的索引磁珠，給每個細胞的mRNA標記上特異的索引序列，然後構建混合測序文庫並進行高通量測序，從而實現一次實驗分析成千上萬個單細胞的轉錄組。研究團隊將該平台命名為Microwell-seq。

郭國驥團隊所構建的Microwell-seq技術平台，操作簡單、成本低廉，必將推動前沿單細胞測序技術在基礎科研和臨床診斷的普及和應用。同時小鼠細胞圖譜的完成也將對下一步人類細胞圖譜的構建帶來指導性意義，並惠及細胞生物學、發育生物學、神經生物學、血液學和再生醫學等多個領域。

郭國驥教授課題組成員

論文第一作者包括浙江大學醫學院韓曉平博士，16級碩士生汪仁英，生科院16級博士生周銀聰，醫學院17級碩士生費麗江，17級直博生孫慧宇和15級博士生賴淑靜。郭國驥研究員和韓曉平博士為本文共同通訊作者。

參考文獻：

1、Regev, A., Teichmann, S. A., Lander, E. S., Amit, I., Benoist, C., Birney, E., ... & Clevers, H. (2017). The human cell atlas. Elife, 6.

2、Guo, G., Huss, M., Tong, G. Q., Wang, C., Sun, L. L., Clarke, N. D., & Robson, P. (2010). Resolution of cell fate decisions revealed by single-cell gene expression analysis from zygote to blastocyst. Developmental cell, 18(4), 675-685.

3、Guo, G., Luc, S., Marco, E., Lin, T. W., Peng, C., Kerenyi, M. A., ... & Neff, T. (2013). Mapping cellular hierarchy by single-cell analysis of the cell surface repertoire. Cell stem cell, 13(4), 492-505.

4、Han, X., Yu, H., Huang, D., Xu, Y., Saadatpour, A., Li, X., ... & Guo, G.. (2017). A molecular roadmap for induced multi-lineage trans-differentiation of fibroblasts by chemical combinations. Cell research, 27(3), 386.

5、Kurimoto, K. et al. An improved single-cell cDNA amplification method for efficient high-density oligonucleotide microarray analysis. Nucleic Acids Res. 34, e42 (2006).

6、Kurimoto, K., Yabuta, Y., Ohinata, Y. & Saitou, M. Global single-cell cDNA amplification to provide a template for representative high-density oligonucleotide microarray analysis. Nat. Protoc. 2, 739–752 (2007).

7、Tang F, Barbacioru C, Wang Y, Nordman E, Lee C, Xu N, Wang X, Bodeau J, Tuch BB, Siddiqui A, Lao K, Surani MA. mRNA-Seq whole-transcriptome analysis of a single cell. Nature Methods. 2009 May;6(5):377-82.

8、Wen L, Tang F. Single-cell sequencing in stem cell biology. Genome Biology. 2016 Apr 15;17:71.

9.Huang L, Ma F, Chapman A, Lu S, Xie XS. Single-Cell Whole-Genome Amplification and Sequencing: Methodology and Applications. Annu Rev Genomics Hum Genet. 2015;16:79-102.

10.Wen L, Tang F. Single cell epigenome sequencing technologies. Molecular Aspects of Medicine. 2018 Feb;59:62-69. doi: 10.1016/j.mam.2017.09.002.

11.Han X, Wang R, Zhou Y, Fei L, Sun H, Lai S, Saadatpour A, Zhou Z, Chen H, Ye F, Huang D, Xu Y, Huang W, Jiang M, Jiang X, Mao J, Chen Y, Lu C, Xie J, Fang Q, Wang Y, Yue R, Li T, Huang H, Orkin SH, Yuan GC, Chen M, Guo G. Mapping the Mouse Cell Atlas by Microwell-seq. Cell

附通訊作者簡介：

郭國驥，浙江大學醫學院教授，博士生導師，浙江大學醫學院幹細胞與再生醫學中心副主任，浙江大學幹細胞聯盟副主席。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，任達納法伯癌症中心及波士頓兒童醫院Research Fellow。2014年入職浙江大學醫學院。2015年入選「國家青年千人計劃」，2016年獲「浙江省傑出青年基金」，2017年獲「國家優秀青年基金」。現任中國生理學會血液生理學專業委員會青年委員；浙江省轉化醫學會幹細胞與再生醫學分會委員。其主要利用單細胞分析技術研究幹細胞的再生和分化機制，並在胚胎幹細胞和成體幹細胞領域有突出貢獻。以通訊作者和第一作者身份在Cell, Cell Stem Cell, Cell Research, Developmental Cell等著名期刊發表多篇學術論文。

韓曉平，浙江大學醫學院副教授。2007年本科畢業於南開大學，2012年在中國農業大學獲得博士學位（2009.12—2011.6，新加坡基因組研究院聯合培養博士），2013年-2014年在哈佛醫學院任研究助理，2014年12月任職浙江大學醫學院至今。目前以第一作者或通訊作者在包括Cell、Cell Research、Cell Reports等雜誌發表研究論文多篇。

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