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美国《科学》杂志连发四篇论文:人类细胞图谱揭示新的细胞功能

2022-05-13 13:56:44 科技日报

人类细胞图谱(HCA)计划的目标是绘制出人体中的每种细胞类型,从而改变我们对生物学、感染和疾病的认识。美国《科学》杂志13日连发四篇论文,描述了国际HCA联盟研究人员已创建出人体33个器官和系统中超过一百万个细胞的高度详细的图谱。该图谱的完成为人类健康和疾病(包括免疫系统)提供了新的生物学见解,被认为是单细胞生物学领域取得的一个里程碑式的进步。

这些互补的多组织细胞图谱将有助于形成单一的人类细胞图谱,并具有许多治疗意义,或将帮助科学家重新认识常见和罕见疾病、疫苗开发、抗肿瘤免疫学和再生医学。这些图谱已开放获取,允许研究人员详细比较人体全身的特定细胞,揭示新的细胞功能。

深入研究跨组织的免疫系统

在《科学》合集的第一篇论文中,英国剑桥大学威康·桑格研究所研究人员及其合作者对来自12个成年器官捐赠者的16个组织中的330000个免疫细胞的RNA逐一进行了测序,以了解免疫细胞在不同组织中的功能。

在创建人体内免疫细胞的精选目录后,研究团队开发了一种机器学习工具CellTypist来自动识别细胞类型。使用该工具,他们确定了大约一百种不同类型的免疫细胞,包括特定的巨噬细胞、T细胞和B细胞,以及它们在不同组织中的分布。

HCA联盟委员会联合主席、威康桑格研究所细胞遗传学负责人萨拉·铁奇曼博士说:“通过HCA对细胞的详细了解,将有助于解释人类健康和疾病的方方面面。通过比较来自同一供体的多个组织中的特定免疫细胞,我们确定了身体不同区域中不同类型的记忆T细胞,这可能对控制感染产生重大影响。”

在《科学》合集的第二项研究中,桑格研究所研究人员和合作者创建了一个跨越9个器官的人类免疫系统发育图谱,揭示了参与血液和免疫细胞形成的组织,这将增强人们对免疫疾病的理解。它还揭示了随着人体生长而丢失的细胞类型,为体外细胞工程和再生医学研究提供了信息。

研究人员使用空间转录组学和单细胞RNA测序来绘制特定细胞在发育组织中的确切位置。研究人员识别出一种新型的B细胞,以及出现在生命早期阶段的独特T细胞。该团队使用来自其他人类细胞图谱研究的数据,证明了这些特定的免疫细胞并不会在成人体内发现。

冷冻组织的图谱揭示罕见和常见疾病基因

单细胞图谱的目标之一是绘制特定细胞类型,其中包括在整个人体中发挥作用的疾病基因,如导致肌肉萎缩症等罕见疾病或导致心脏病等常见疾病风险的基因。它需要对所有细胞类型进行分析,包括难以捕获的骨骼肌细胞、脂肪细胞和神经元。来自大量个体的细胞也很重要,需要科学家在分析前收集和冷冻组织。

在《科学》合集的第三项研究中,美国哈佛博德研究所研究人员及其合作者揭示了他们如何优化单核RNA测序以克服使用冷冻细胞带来的挑战,他们创建了一个跨组织图谱来分析来自多个冷冻储存组织的200000个细胞,重点关注罕见和常见疾病基因。然后,该团队使用新的机器学习算法,系统地将图谱中的细胞与6000种单基因疾病和2000种复杂的遗传疾病和性状相关联,以识别可能与疾病有关的细胞类型和基因程序,从而揭示了研究健康和疾病的多个新起点。

HCA联盟联合主席艾伟福·雷杰夫博士说:“我们的单核人类细胞图谱研究展示了一种强大的规模方法,可通过深度学习计算的进步来分析全身冷冻组织样本中的细胞,并为在单细胞水平上研究来自整个患者群组的组织开辟了道路。通过直接将细胞与人类疾病生物学和跨组织疾病风险基因联系起来,我们能够为理解多种疾病创建新的路线图。”

广泛的跨组织细胞图谱Tabula Sapiens

《科学》合集中的最后一篇论文描述了来自陈·扎克伯格生物中心研究人员进行的一项大型的跨组织研究。该团队使用活细胞的单细胞RNA测序来分析来自同一供体的许多器官,这使得跨组织比较能够控制遗传背景、年龄和环境影响。近50万个细胞的集合提供了来自活细胞的独特广泛的跨组织图谱,并创建了一个被研究人员称为Tabula Sapiens的数据集。

Tabula Sapiens数据集详细描述了400多种特定细胞类型、它们的分布和跨组织基因表达的变化。此外,通过对活细胞的分析,研究人员还实现了对单细胞图谱中替代基因剪接的首次大规模分析。该研究提供了大量经人类专家注释的细胞资源,这将为基础生物学和疾病研究提供重要的新见解。

陈·扎克伯格生物中心主任、斯坦福大学生物工程和应用物理学教授斯蒂芬·考克教授说:“Tabula Sapiens是一个参考图谱,提供了人体24个器官的数百种细胞类型。科学界将在未来许多年从这一资源中发现对人类生物学的新见解。”

HCA跨组织数据和工具开放获取

HCA是一个国际合作联盟,旨在绘制健康人体中的细胞类型图谱,为研究健康和疾病提供前所未有的资源。HCA是一个开放的、前沿的、以科学家为主导的联盟,拥有来自全球83个国家的2300多名成员。

HCA数据已开放获取,全球研究人员可通过HCA数据协调平台,如剑桥细胞图谱、博德单细胞门户和加州大学圣塔克鲁兹分校细胞浏览器访问这些数据。

HCA联盟成员、瑞典卡罗林斯卡学院司藤·林纳森教授说:“人类细胞图谱正在改变我们对生物学和疾病的理解。这些跨组织研究通过对发育和成年期的相同细胞类型进行系统、深入的比较,是单细胞生物学研究的一个里程碑。它们是向涵盖人体所有细胞类型的人类细胞图谱迈出的一大步,为诊断、医疗保健和精准医学的新时代奠定了基础。”

(张梦然)

标签: 美国科学杂志 人类细胞图谱 新的细胞功能 跨组织的免疫系统

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