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科學家們公佈了他們對繪製人體細胞圖的初步研究。運動/蓋蒂圖片社
  • 研究人員公佈了他們在繪製人體細胞圖譜方面取得的進展。
  • 他們說這樣的地圖可以幫助診斷和治療多種疾病。
  • 他們將這項研究與人類基因組計劃進行了比較,後者對人類基因組中的所有基因進行了測序。

近 20 年前,長達十年的人類基因組計劃完成了對人類基因組中所有基因的完全識別、定位和測序。

這是一項開創性的成就,有助於生物醫學技術和研究的重大進步。

本週,隨著國際人類細胞圖譜 (HCA) 聯盟公佈了跨越 33 個器官和系統的超過 100 萬個單個細胞的詳細地圖,一項可能更為重要的成就被引入。

這些數據在《科學》雜誌的四項主要研究中發布,代表了世界上最全面的跨組織細胞圖譜。這是 HCA 繪製人體所有細胞類型圖目標的重要墊腳石。

“人類細胞圖譜正在改變我們對生物學和疾病的理解,”瑞典卡羅林斯卡學院教授、HCA 組委會成員 Sten Linnarsson 博士說。 “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,代表了 HCA 和單細胞生物學的一個里程碑。它們是向生成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。”

身體的“谷歌地圖”

在一次在線新聞發布會上,Sarah A.Teichmann 博士是 HCA 國際聯盟的聯合創始人和主要負責人,同時也是英國劍橋威康桑格研究所細胞遺傳學的負責人,他將該項目的目標比作創建“人體的谷歌地圖——一個”街景的所有細胞和組織的地圖。”

“[HCA] 真正開啟的是理解組織的所有榮耀的能力,”麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所項目聯合創始人兼成員 Aviv Regev 博士補充道。

專家說,這些發現——以及那些有望跟進的發現——將有助於研究人員了解疾病、疫苗開發以及抗腫瘤免疫學和再生醫學等領域。

例如,泰希曼說,這項研究已經揭示了“免疫細胞如何以新的和意想不到的方式發育”——在腸道、胸腺和其他組織中,而不僅僅是在骨髓中。

Regev 說,細胞圖譜在細胞水平上“幫助我們準確了解疾病發生的位置”。

“人們通常認為基因組是一個藍圖,但它實際上是一個零件清單,”加州斯坦福大學生物研究中心 Quake Lab 的創始人 Stephen Quake 博士告訴 Healthline。

在機器學習的幫助下,HCA 研究人員能夠將組織分離成單個細胞進行分析,從而深入了解這些遺傳“部分”如何在整個身體中協同工作。

“基因組是零件清單,但它不是操作員——那是細胞,”Regev 補充道。 “一旦你有了基因,你就必須了解它們在哪裡運作。”

Regev 將 HCA 項目比作“人類基因組計劃,但為 21 世紀而生”。

“HCA 是一個完全開放的過程,在 83 個國家有 2000 多名科學家,”她說。 “這在 1990 年代是不可能的。”

在細胞水平上靶向疾病

專家說,細胞作圖對於藥物開發、基因治療和細胞治療特別有價值。

“如果您針對特定細胞,您想知道該細胞在體內的其他位置表達,”奎克說。

“知道你的目標在哪裡表達對於預防毒性至關重要,”Regev 補充道。

在四項初步研究之一中,威康桑格研究所的研究人員對來自 330,000 個單個免疫細胞的 RNA 進行了測序,以提高對免疫細胞在不同組織中的功能的理解。

“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記憶 T [免疫] 細胞的不同‘味道’,這可能對控制感染產生重大影響,”Teichmann 說。 “我們公開可用的數據將有助於人類細胞圖譜,並可以作為設計疫苗的框架,或改進免疫療法的設計以攻擊癌症。”

在第二項研究中,一個由桑格研究所領導的研究小組創建了一個發展中的人類免疫系統的綜合地圖集。該研究包括參與血液和免疫細胞形成的組織,並揭示了隨著人類年齡的增長,某些細胞類型會丟失。研究人員表示,這些發現可以支持體外細胞工程和再生醫學研究。

Regev 領導了第三項研究,該研究使用機器學習算法分析冷凍細胞材料,克服了通常必須依賴新鮮組織進行分析的研究領域的重大障礙。Broad Institute 團隊添加到圖譜中的 200,000 個細胞成功地與 6,000 種單基因疾病和 2,000 種複雜遺傳疾病相關聯。

Regev 說,這項研究“為在單細胞水平上研究整個患者群體的組織開闢了道路。”

“我們能夠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,為多種疾病創建新的路線圖,”她說。

“智人”

最後,Chan Zuckerberg Biohub 的 Quake 及其同事進行的一項研究使用活細胞的單細胞 RNA 測序來分析來自一個供體的多個器官。

這樣可以比較不同的組織,同時控制遺傳背景、年齡和環境影響等因素。

由此產生的細胞圖譜包含 400 多種細胞類型,被稱為“智人白板”。

“Tabula Sapiens 是一個參考圖譜,它提供了人體 24 個器官中數百種細胞類型的分子定義,”Quake 說。

這些發現揭示了對細胞生物學的新見解,包括如何將相同的基因以不同的方式拼接成不同的細胞類型,以及如何在組織之間共享免疫細胞的克隆。

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