鑽石舞台

人類細胞圖譜（HCA）的目標是繪製出人體每一種細胞類型，從而徹底地改變我們對生物學、感染和疾病的認識。近日，HCA聯盟的研究人員在《科學》雜誌上發表的4項最新成果，又朝着這一終極目標邁出了里程碑式的一步。

先前，HCA主要集中在對單個器官、組織或組織中的一小部分獲得深入的細胞了解。如今，由不同組織和機構構成的一組國際研究團隊，進行了4項主要的合作研究，開發出了全新的方法，並創建了迄今為止最全面的跨組織圖譜。

研究人員已經為人體內33種器官和系統中的100多萬個單個細胞繪製了極詳細的圖譜，讓科學家能夠精細地比較整個身體的特定細胞類型。這些互補的多組織細胞圖譜，將有助於建立一個完整的人類細胞圖譜。

不同組織中的免疫系統

我們以往對人類免疫系統的了解主要局限於血液循環中的細胞的作用，但是，組織內的免疫細胞在維持健康和對抗感染方面同樣發揮着關鍵作用。

在其中一篇論文中，研究人員對來自整個人體的33萬個免疫細胞的RNA進行了測序，從而了解不同組織中免疫細胞的功能。

科學家同時分析了12位器官捐贈者的16個組織中的免疫細胞。團隊在創建了一個人體免疫細胞的組織目錄後，開發了一種名為CellTypist的機器學習工具，從而自動識別細胞類型。利用這一工具，他們確定了大約一百種不同類型的免疫細胞，包括特定的巨噬細胞、T細胞和B細胞以及它們在不同組織中的分布。

通過HCA對細胞的詳細認識，將有助於解釋人類健康和疾病的許多方面。舉個例子，通過比較同一人體內的多個組織中的特定免疫細胞，研究人員在身體的不同區域發現了不同的記憶T細胞，這可能對控制感染有很大的影響。

第二項研究則創建了一個跨器官的人體免疫系統發育圖譜，揭示了參與血液和免疫細胞形成的組織。它還展示了在我們成長過程中逐漸丟失的細胞類型，可以為體外細胞工程和再生醫學研究提供參考。

來自冷凍組織的圖譜

單細胞圖譜的一項重要作用是幫助繪製人體中疾病基因作用的具體細胞類型，從導致肌肉萎縮症等罕見疾病的基因，到導致心臟病等常見疾病風險的基因都在其列。

它需要對所有的細胞類型進行分析，包括那些難以捕捉的骨骼肌中的細胞、脂肪細胞和神經元。來自更多個體的細胞也至關重要，科學家在分析前需要收集並冷凍組織。

在一篇新論文中，合作團隊揭示了他們如何優化單核RNA測序，從而克服使用冷凍細胞的挑戰，並隨後創建了一個跨組織圖譜，分析來自多種冷凍組織的20萬個細胞，重點關注那些罕見疾病和常見疾病的基因。

利用新的機器學習算法，團隊隨後將圖譜中的細胞與6000種單基因疾病和2000種複雜的遺傳疾病和性狀系統地聯繫在一起，從而確定一些可能與疾病有關的細胞類型和基因程序。

科學家相信，這項工作有機會推動大量新的研究。單核HCA研究展示了一種強大的大尺度方式，利用深度學習的計算分析整個身體的冷凍組織樣本的細胞，並為在單細胞水平上研究整個患者群的組織開闢了道路。

團隊通過直接將細胞與人類疾病生物學和跨組織的疾病風險基因聯繫起來，能夠為多種疾病創建一個新的路線圖。

廣泛的跨組織細胞圖譜

最後一篇論文描述了一項非常龐大的跨組織研究。

團隊使用活細胞的單細胞RNA測序，分析了來自同一捐贈者的許多器官，這使得跨組織的比較可以控制遺傳背景、年齡和環境影響。近50萬個細胞的集合帶來了一個來自活細胞的獨特而廣泛的跨組織圖譜，並創造了一個被稱為 Tabula Sapiens（「書板人」）的數據集。

Tabula Sapiens為科學家帶來了一個巨大的資源庫，它是一個參考圖譜，提供了人體24個器官中數百種細胞類型的分子定義。其中的數據能夠詳細描述400多種特定的細胞類型，以及它們在各組織中的分布和基因表達的變化。

此外，通過分析活細胞，數據還實現了對單細胞圖譜中可變基因剪接的首次大規模分析。

公開的數據和工具

HCA的這些數據和工具均是公開的，使全世界的人們受益於此。科學家相信，HCA正在改變我們對生物學和疾病的理解。

這些跨組織研究代表了HCA和單細胞生物學的一個里程碑，因為它們能夠系統、深入地比較發育和成年時期相同的細胞類型。這些新研究是向生成人體完整的細胞圖譜邁出的一大步，並為診斷、保健和精準醫療的新時代奠定了基礎。