世界上沒有兩片相同的樹葉，也沒有兩個(gè)相同的細(xì)胞?？茖W(xué)的進(jìn)步讓我們“讀懂”生命體的每一個(gè)細(xì)胞成為了可能。

2月23日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)刊登浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)中心郭國驥教授團(tuán)隊(duì)的研究成果：利用微孔板測序技術(shù)構(gòu)建小鼠細(xì)胞圖譜。該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)低成本、高效率、完全國產(chǎn)化的高通量單細(xì)胞測序平臺(tái)Microwell-seq，并在短時(shí)間內(nèi)利用這一平臺(tái)構(gòu)建了全球首個(gè)哺乳動(dòng)物的細(xì)胞圖譜。

浙大學(xué)者利用Microwell-seq平臺(tái)構(gòu)建小鼠細(xì)胞圖譜簡圖 本文圖片均來自浙江新聞客戶端

從看一群細(xì)胞到看單個(gè)細(xì)胞

細(xì)胞是生命的最小獨(dú)立遺傳單位。生命體從一個(gè)受精卵開始分裂，逐漸發(fā)育成個(gè)體，細(xì)胞之間的差異越來越大，承擔(dān)不同的功能。即使相同功能的細(xì)胞也存在差異。極端的例子是，腫瘤細(xì)胞最初便是由一個(gè)正常細(xì)胞的變異而來。

傳統(tǒng)的測序技術(shù)“看”的是一組一組的、成群的細(xì)胞，“讀”到的是一堆細(xì)胞遺傳信號的均值，因此單個(gè)細(xì)胞的特異性表現(xiàn)容易被忽略。而單細(xì)胞測序，則通過“讀”取單個(gè)細(xì)胞的遺傳信息，很好地應(yīng)對細(xì)胞群體異質(zhì)性的問題。正因?yàn)槿绱?，單?xì)胞測序技術(shù)成為各國科學(xué)家研究的熱點(diǎn)，并進(jìn)一步推動(dòng)了人類對于生命奧秘對認(rèn)知。

郭國驥認(rèn)為，單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)，使人類能夠從單個(gè)細(xì)胞的視角上更為精確的解析細(xì)胞的分化、再生、衰老以及病變，“這類技術(shù)正在帶來一場細(xì)胞檢測、分類和鑒定的方法學(xué)革命”。

2017年10月，美國科學(xué)家聯(lián)合多國科學(xué)家啟動(dòng) “人類細(xì)胞圖譜計(jì)劃(Human Cell Atlas，HCA)，設(shè)想對人體中所有細(xì)胞進(jìn)行分類和測序，系統(tǒng)地描繪人體細(xì)胞圖譜，并通過這把鑰匙，來加深對疾病診斷、監(jiān)測、治療的了解。Facebook創(chuàng)始人馬克·扎克伯格出資支持這項(xiàng)計(jì)劃并將其稱為與“人類基因組計(jì)劃”媲美的國際科研項(xiàng)目。在過去幾年的研究中，單細(xì)胞測序已經(jīng)在檢測腫瘤變異、產(chǎn)前診斷等方面展現(xiàn)出廣闊前景。

如何快速高效檢測單個(gè)細(xì)胞

在細(xì)胞圖譜計(jì)劃的勃勃雄心面前，科學(xué)技術(shù)近年來飛速發(fā)展，各國科學(xué)家都在爭相開發(fā)高水平的單細(xì)胞測序平臺(tái)：其中一個(gè)關(guān)鍵問題是：如何快速高效地檢測單個(gè)的細(xì)胞，才能拼完這幅巨量的超級“拼圖”?

郭國驥教授團(tuán)隊(duì)在CELL上向全世界介紹了自己的方案：高通量的、低成本、操作簡單、完全國產(chǎn)化的Microwell-seq單細(xì)胞測序平臺(tái)。郭國驥說，我們利用微孔矩陣、分子標(biāo)記和擴(kuò)增技術(shù)，高通量、高精度地實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞水平分析，解決了傳統(tǒng)測序中單個(gè)細(xì)胞核酸物質(zhì)太少、容易丟失、分析成本高的難題。

韓曉平博士(第一作者名)向記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(gè)直徑30微米的‘小坑’。”在研究中，科學(xué)家先用消化酶將一團(tuán)相對緊實(shí)的細(xì)胞解離成單個(gè)細(xì)胞的懸浮液，然后傾倒到瓊脂糖微孔板上，“大約有1萬個(gè)細(xì)胞會(huì)‘一個(gè)蘿卜一個(gè)坑’地落入‘坑’中。”這是第一步：捕獲單個(gè)細(xì)胞。

此后，科學(xué)家將為每一個(gè)被捕獲的細(xì)胞貼上“編號”，稱為磁珠索引。數(shù)萬個(gè)直徑25微米的磁珠落入“坑”中，封住了單個(gè)的細(xì)胞，同時(shí)為單個(gè)細(xì)胞標(biāo)記上了DNA索引。第三步，就是常規(guī)的測序流程，每個(gè)細(xì)胞的表達(dá)譜將得到解析。在郭國驥教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)中，團(tuán)隊(duì)測的是單個(gè)細(xì)胞所有的mRNA，一種能翻譯蛋白的遺傳物質(zhì)。

最初在準(zhǔn)備索引磁珠的時(shí)候，課題組找遍全中國的生物技術(shù)公司，沒有一家能做，于是，課題組決定自己合成。郭國驥說：“在這個(gè)過程中，我們發(fā)現(xiàn)大量的索引引物不完整，卻一直找不到原因。”經(jīng)過一個(gè)多月的排查，發(fā)現(xiàn)原來是用錯(cuò)了DNA聚合酶。換了高保真酶DNA聚合酶之后，一切引刃而解。

郭國驥認(rèn)為，Microwell-seq技術(shù)平臺(tái)操作簡單、成本低廉，必將推動(dòng)前沿單細(xì)胞測序技術(shù)在基礎(chǔ)科研和臨床診斷的普及和應(yīng)用。“從前分析一個(gè)細(xì)胞需要大概100元人民幣，而現(xiàn)在我們所研制的平臺(tái)只需要不到2元。而實(shí)驗(yàn)操作更為快捷、簡便。”郭國驥說。

郭國驥課題組成員

構(gòu)建首個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞圖譜

利用Microwell-seq，團(tuán)隊(duì)對來自小鼠不同生命階段的近50種器官組織的40余萬個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了系統(tǒng)性的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，并構(gòu)建了首個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞圖譜。

郭國驥把這個(gè)圖譜稱為“細(xì)胞地圖”。在研究中，團(tuán)隊(duì)對小鼠的主要細(xì)胞類型，每一種器官內(nèi)的組織細(xì)胞亞型，基質(zhì)細(xì)胞亞型，血管內(nèi)皮細(xì)胞亞型，和免疫細(xì)胞亞型進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

現(xiàn)在點(diǎn)擊http://bis.zju.edu.cn/MCA/ 網(wǎng)站，就可以看到這張細(xì)胞地圖。網(wǎng)站不但有互動(dòng)性的數(shù)據(jù)展示和基因搜索界面，還提供了單細(xì)胞數(shù)據(jù)比對系統(tǒng)。任何單細(xì)胞表達(dá)譜數(shù)據(jù)都可以通過單細(xì)胞比對分析，尋找到它所對應(yīng)的細(xì)胞類型和來源。

研究發(fā)現(xiàn)，來自于不同組織的基質(zhì)細(xì)胞，擁有完全不同的基因表達(dá)特征，對組織特異性微環(huán)境行使重要的調(diào)節(jié)作用。這提示科學(xué)家，在組織工程和器官修復(fù)過程中不能只考慮組織細(xì)胞，必須同時(shí)修復(fù)相應(yīng)的基質(zhì)細(xì)胞體系。

“人類對于生命的認(rèn)知就像對浩淼宇宙的探索，單細(xì)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(fā)現(xiàn)的重要物質(zhì)。”郭國驥說。“科學(xué)家可以利用這一平臺(tái)開展細(xì)胞命運(yùn)決定的機(jī)制性研究，再生醫(yī)學(xué)的移植前細(xì)胞鑒定以及臨床疾病的細(xì)胞水平診斷帶來深遠(yuǎn)的影響。”

審稿過程中， CELL三位評審專家對這項(xiàng)工作一致性地給出了“impressive”的評價(jià)，并認(rèn)為“小鼠圖譜必將成為用途廣泛的生物數(shù)據(jù)資源”。 科學(xué)界認(rèn)為，小鼠細(xì)胞圖譜的完成也將對下一步人類細(xì)胞圖譜的構(gòu)建帶來指導(dǎo)性意義，并惠及細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、血液學(xué)和再生醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

“我們的團(tuán)隊(duì)實(shí)際上是以一己之力完成了一個(gè)浩大的工程，希望大家對我國的生命科學(xué)產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和科學(xué)家有信心。中國人完全有能力、有技術(shù)繪制一張華人自己的細(xì)胞圖譜。”郭國驥說，“這項(xiàng)單細(xì)胞測序技術(shù)成本低廉，而且所有試劑和材料都實(shí)現(xiàn)了完全國產(chǎn)，商業(yè)化前景非常廣闊。我們團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)努力，不斷研發(fā)更好、更接地氣的技術(shù)，為中國的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。”