單細胞生物學里程碑!迄今最全跨組織細胞圖譜繪成並開放獲取

人類細胞圖譜(HCA)計劃的目標是繪製出人體中的每種細胞類型,從而改變我們對生物學、感染和疾病的認識。美國《科學》雜誌13日連發四篇論文,描述了國際HCA聯盟研究人員已創建出人體33個器官和系統中超過一百萬個細胞的高度詳細的圖譜。該圖譜的完成為人類健康和疾病(包括免疫系統)提供了新的生物學見解,被認為是單細胞生物學領域取得的一個裡程碑式的進步。

這些互補的多組織細胞圖譜將有助於形成單一的人類細胞圖譜,並具有許多治療意義,或將幫助科學家重新認識常見和罕見疾病、疫苗開發、抗腫瘤免疫學和再生醫學。這些圖譜已開放獲取,允許研究人員詳細比較人體全身的特定細胞,揭示新的細胞功能。

深入研究跨組織的免疫系統

在《科學》合集的第一篇論文中,英國劍橋大學威康·桑格研究所研究人員及其合作者對來自12個成年器官捐贈者的16個組織中的330000個免疫細胞的RNA逐一進行了測序,以了解免疫細胞在不同組織中的功能。

在創建人體內免疫細胞的精選目錄後,研究團隊開發了一種機器學習工具CellTypist來自動識別細胞類型。使用該工具,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佈。

HCA聯盟委員會聯合主席、威康桑格研究所細胞遺傳學負責人薩拉·鐵奇曼博士說:「通過HCA對細胞的詳細了解,將有助於解釋人類健康和疾病的方方面面。通過比較來自同一供體的多個組織中的特定免疫細胞,我們確定了身體不同區域中不同類型的記憶T細胞,這可能對控制感染產生重大影響。」

在《科學》合集的第二項研究中,桑格研究所研究人員和合作者創建了一個跨越9個器官的人類免疫系統發育圖譜,揭示了參與血液和免疫細胞形成的組織,這將增強人們對免疫疾病的理解。它還揭示了隨著人體生長而丟失的細胞類型,為體外細胞工程和再生醫學研究提供了信息。

研究人員使用空間轉錄組學和單細胞RNA測序來繪製特定細胞在發育組織中的確切位置。研究人員識別出一種新型的B細胞,以及出現在生命早期階段的獨特T細胞。該團隊使用來自其他人類細胞圖譜研究的數據,證明了這些特定的免疫細胞並不會在成人體內發現。

冷凍組織的圖譜揭示罕見和常見疾病基因

單細胞圖譜的目標之一是繪製特定細胞類型,其中包括在整個人體中發揮作用的疾病基因,如導致肌肉萎縮症等罕見疾病或導致心臟病等常見疾病風險的基因。它需要對所有細胞類型進行分析,包括難以捕獲的骨骼肌細胞、脂肪細胞和神經元。來自大量個體的細胞也很重要,需要科學家在分析前收集和冷凍組織。

在《科學》合集的第三項研究中,美國哈佛博德研究所研究人員及其合作者揭示了他們如何優化單核RNA測序以克服使用冷凍細胞帶來的挑戰,他們創建了一個跨組織圖譜來分析來自多個冷凍儲存組織的200000個細胞,重點關注罕見和常見疾病基因。然後,該團隊使用新的機器學習演算法,系統地將圖譜中的細胞與6000種單基因疾病和2000種複雜的遺傳疾病和性狀相關聯,以識別可能與疾病有關的細胞類型和基因程序,從而揭示了研究健康和疾病的多個新起點。

HCA聯盟聯合主席艾偉福·雷傑夫博士說:「我們的單核人類細胞圖譜研究展示了一種強大的規模方法,可通過深度學習計算的進步來分析全身冷凍組織樣本中的細胞,並為在單細胞水平上研究來自整個患者群組的組織開闢了道路。通過直接將細胞與人類疾病生物學和跨組織疾病風險基因聯繫起來,我們能夠為理解多種疾病創建新的路線圖。」

廣泛的跨組織細胞圖譜Tabula Sapiens

《科學》合集中的最後一篇論文描述了來自陳·扎克伯格生物中心研究人員進行的一項大型的跨組織研究。該團隊使用活細胞的單細胞RNA測序來分析來自同一供體的許多器官,這使得跨組織比較能夠控制遺傳背景、年齡和環境影響。近50萬個細胞的集合提供了來自活細胞的獨特廣泛的跨組織圖譜,並創建了一個被研究人員稱為Tabula Sapiens的數據集。

Tabula Sapiens數據集詳細描述了400多種特定細胞類型、它們的分佈和跨組織基因表達的變化。此外,通過對活細胞的分析,研究人員還實現了對單細胞圖譜中替代基因剪接的首次大規模分析。該研究提供了大量經人類專家註釋的細胞資源,這將為基礎生物學和疾病研究提供重要的新見解。

陳·扎克伯格生物中心主任、斯坦福大學生物工程和應用物理學教授Stephen·考克教授說:「Tabula Sapiens是一個參考圖譜,提供了人體24個器官的數百種細胞類型。科學界將在未來許多年從這一資源中發現對人類生物學的新見解。」

HCA跨組織數據和工具開放獲取

HCA是一個國際合作聯盟,旨在繪製健康人體中的細胞類型圖譜,為研究健康和疾病提供前所未有的資源。HCA是一個開放的、前沿的、以科學家為主導的聯盟,擁有來自全球83個國家的2300多名成員。

HCA數據已開放獲取,全球研究人員可通過HCA數據協調平台,如劍橋細胞圖譜、博德單細胞門戶和加州大學聖Tucker魯茲分校細胞瀏覽器訪問這些數據。

HCA聯盟成員、瑞典卡羅林斯卡學院司藤·林納森教授說:「人類細胞圖譜正在改變我們對生物學和疾病的理解。這些跨組織研究通過對發育和成年期的相同細胞類型進行系統、深入的比較,是單細胞生物學研究的一個裡程碑。它們是向涵蓋人體所有細胞類型的人類細胞圖譜邁出的一大步,為診斷、醫療保健和精準醫學的新時代奠定了基礎。」

(原標題,《里程碑!迄今最全跨組織細胞圖譜繪成》)

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