首個哺乳動物細胞圖譜在浙大誕生 | 中國發現
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浙大學者利用Microwell-seq平台構建小鼠細胞圖譜簡圖撰文 | 涵 冰
責編 | 葉水送
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世界上沒有兩片相同的樹葉，細胞也一樣。科學的進步讓我們「讀懂」生命體的每一個細胞成為了可能。
2月23日，國際學術期刊Cell刊登浙大醫學院幹細胞與再生醫學中心郭國驥教授團隊的研究成果：Mapping the Mouse Cell Atlas by Microwell-seq
（利用微孔板測序技術構建小鼠細胞圖譜）
。該團隊自主研發低成本、高效率、完全國產化的高通量單細胞測序平台Microwell-seq，並在短時間內利用這一平台構建了全球首個哺乳動物的細胞圖譜。
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郭國驥團隊在Cell雜誌上的最新論文，圖片來自cell
從看一群細胞到看單個細胞
細胞是生命最小的獨立遺傳單位。生命體從一個受精卵開始分裂，逐漸發育成個體，細胞之間的差異也隨之增大，承擔不同的功能。即使相同功能的細胞也存在差異。極端的例子是，腫瘤細胞最初是由一個正常細胞變異而來。
傳統的測序技術「看」的是一組一組、成群的細胞，「讀」的是一堆細胞遺傳信號的均值，因此單個細胞的特異性表現容易被忽略。
單細胞測序通過「讀」取單個細胞的遺傳信息，很好地應對細胞群體異質性問題。正因為如此，近年來，單細胞測序技術成為各國科學家研究的熱點，並進一步推動了人類對於生命奧秘的認知。
郭國驥認為，單細胞組學技術使人類能夠從單個細胞的視角，精確地解析細胞的分化、再生、衰老以及病變，「這類技術正帶來一場細胞檢測、分類和鑒定的方法學革命」。
2017年10月，美國科學家聯合多國科學家啟動 「人類細胞圖譜計劃
（Human Cell Atlas，HCA）
，設想對人體中所有細胞進行分類和測序，系統地描繪人體細胞圖譜，並通過這把鑰匙來加深對疾病診斷、監測、治療的了解。Facebook創始人馬克·扎克伯格出資支持這項計劃，並將其與「人類基因組計劃」媲美。在過去幾年中，單細胞測序已在檢測腫瘤變異、利用胚胎細胞進行產前診斷方面展現出廣闊的前景。
如何快速高效檢測單個細胞
在細胞圖譜計劃面前，各國科學家雄心勃勃，爭相開發出高水平的單細胞測序平台。其中一個關鍵問題是：如何快速高效地檢測單個的細胞，才能拼完這幅巨量的「超級拼圖」。
郭國驥說，「我們利用微孔矩陣、分子標記和擴增技術，高通量、高精度地實現單細胞水平分析，解決了傳統測序中單個細胞核酸物質少、容易丟失、分析成本高的難題。」
這項研究的第一作者韓曉平博士向筆者展示了一塊邊長三厘米的正方形薄片——一塊瓊脂糖做的微孔板，「上面有10萬個直徑30微米的『小坑』。」在研究中，科學家先用消化酶將一團相對緊實的細胞解離成單個細胞的懸浮液，然後傾倒到瓊脂糖微孔板上，「大約有1萬個細胞會『一個蘿蔔一個坑』地落入『坑』中。」這是第一步：捕獲單個細胞。此後，研究者為每一個被捕獲的細胞貼上「編號」，稱為磁珠索引，數萬個直徑為25微米的磁珠落入「坑」中，封住了單個細胞，同時為單個細胞標記上了DNA索引。第三步是常規的測序流程，每個細胞的表達譜將得到解析。在這項技術中，團隊測的是單個細胞所有的信使RNA，這是細胞的重要物質，能將DNA的遺傳信息翻譯成蛋白質。
當初在準備索引磁珠時，研究組找遍中國的生物技術公司，沒有一家能做。於是，研究組決定自己合成。郭國驥說：「在這個過程中，我們發現大量的索引引物不完整，卻一直找不到原因。」經過一個多月的排查，發現原來是用錯了DNA聚合酶。換了高保真酶DNA聚合酶之後，一切迎刃而解。
郭國驥認為，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，「從前分析一個細胞需要大概100元人民幣，而現在我們所研製的平台只需要不到2元。且實驗操作更為快捷、簡便。」
構建首個哺乳動物細胞圖譜
研究者對小鼠不同生命階段的近50種器官組織的40餘萬個細胞進行了系統性的單細胞轉錄組分析，構建了首個哺乳動物細胞圖譜。
對小鼠的主要細胞類型，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。查看
http://bis.zju.edu.cn/MCA/
網站，就可以看到這張細胞地圖。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。這提示科學家，在組織工程和器官修復過程中不能只考慮組織細胞，必須同時修復相應的基質細胞體系。
「人類對於生命的認知就像對浩淼宇宙的探索，單細胞測序賦予我們更為特殊的『觀測』手段，去探索生命體 『星空』中不曾發現的重要物質。」郭國驥說。
在審稿過程中， Cell雜誌的三位評審專家對這項工作一致性地給出了「
impressive
」的評價，並認為「小鼠圖譜必將成為用途廣泛的生物數據資源」。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。
製版編輯： 常春藤
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