科学家将分类和测序人体所有细胞

来源:凯西·阿特金斯

计算生物学家Aviv Regev喜欢挑战看似不可能的任务。2011年，她与分子遗传学家约书亚·莱文合作，测试了几种核糖核酸测序方法。科学家希望找到这些技术的局限性，看看哪种方法效果最好。最后，莱文指出，有些技术非常灵敏，可以检测出含量低于单细胞中所含核糖核酸量的样本。

这似乎是雷吉夫的一个好机会。她一直在寻找方法来探索单个细胞中复杂基因网络的运行机制，并想知道这些网络在每个细胞中是如何不同的，以及不同的细胞群最终是如何协同工作的。

这些答案将揭示细胞如何构建复杂的有机体，如人类。在美国贝尔德研究所工作的雷盖夫和莱文对小鼠骨髓中18个看似相同的免疫细胞的核糖核酸进行了测序。结果显示，一些细胞具有与其他细胞完全不同的基因表达模式。它们就像两种不同的细胞亚型。

这使得Regev希望进一步推进研究，并使用单细胞测序来了解人体内存在多少种不同的细胞类型，它们位于何处以及它们如何发挥作用。雷格夫的实验室同时测试了18个细胞，总共测序了数十万个核糖核酸，并将单细胞分析与基因组编辑技术相结合，以了解当关键调控基因被抑制时会发生什么。

结果，发现了一些新的细胞类型。但是雷盖夫也希望找到更多的细胞类型。2016年底，她帮助启动了“国际人类细胞图谱计划”。该计划是对人体内所有(估计37万亿)细胞进行分类和排序。

瑞典皇家理工学院的微生物学家马蒂亚斯·乌兰指出，绘制单个细胞图谱的研究越来越受欢迎。“但我认为人类细胞绘图计划是历史上最重要的生命科学计划之一，它甚至比人类基因组计划更重要。”

纽约纪念斯隆凯特琳癌症中心的计算生物学家达纳佩尔认识雷盖夫已经18年了，他说雷盖夫喜欢这样大规模的项目。“雷吉夫非常独特，因为她的视野非常开阔。我从未见过一个科学家能同时对如此多的事情进行深刻而创造性的思考。”

它悬而未决。

当雷吉夫还是以色列特拉维夫大学的本科生时，她必须在开始学习之前选择一门课程。但是她不想选择。“有太多有趣的事情了。”她说。最后，她选择了一个先进的跨学科项目，以便同时研究多个学科。雷格夫也跳过了学士学位，直接攻读硕士学位。

瑞格夫本科课程的转折点是在进化生物学家伊娃·贾布隆卡的指导下。杰布隆卡提出了一个有争议的表观遗传进化理论。雷吉夫钦佩贾隆卡面对批评的勇气和坦率。雷盖夫认为，“总是有许多容易的道路，但是选择困难道路的人给人的印象更深刻。”

杰布隆卡的课程有雷吉夫喜欢的复杂遗传问题。她说，“基因非常有趣，但更有趣的是基因之间的相互作用。基因相互合作的第一个媒介是细胞。”

之后，雷格夫在以色列魏茨曼科学研究所的巍实验室攻读计算生物学博士学位。2003年，她搬到了哈佛大学鲍尔基因组研究中心。雷格夫在那里有他自己的小型独立团队。

雷格夫专注于通过观察细胞中的核糖核酸分子来分析遗传网络。2004年，她将这项技术应用于肿瘤，从而发现了不同类型癌症共有的基因表达模式，以及一些更为特异的基因表达模式。到2006年，35岁的她已经在贝尔德研究所建立了自己的实验室。

打破相似性

在贝尔德研究所，雷盖夫致力于研究如何从核糖核酸测序数据中筛选复杂信息。2011年，她开发了一种不用参考基因组组装完整转录组的方法，这在生物体基因组没有被深度测序时非常重要。

当时，莱文还提出了在单个细胞中测序核糖核酸的前景。在那之前，单细胞基因组学几乎是不可能的，因为这项技术不够灵敏，不足以检测细胞中的微量核糖核酸或脱氧核糖核酸。然而，情况在2011年开始改变。

Regev等人使用了18种免疫细胞，也是树突细胞，来测试相关的方法。拉胡尔·萨提亚(Rahul Satija)，当时是雷盖夫的博士后研究员，现在在纽约基因组中心工作，他说，“我当时坚持认为，实验将证明同样的结果适用于同样类型的细胞。”然而，事实并非如此。他发现了两种完全不同的细胞亚型。即使在同一亚型中，单个细胞和免疫基因的调节和表达也有很大差异。雷格夫回忆说，这是一个小规模的研究，但发现了很多信息。

在标准的基因测序中，研究人员从许多细胞的混合物中提取脱氧核糖核酸或核糖核酸，以产生整个细胞群的平均读数。雷格夫把这种方法比作水果冰沙。颜色和味道可以指示冰沙的成分，但是一个甚至一打蓝莓的味道很容易被一堆草莓覆盖。

相比之下，“单细胞数据就像水果沙拉。你可以很容易地将蓝莓和黑莓区分开来。”雷格夫说。这有助于揭示细胞的多样性。生物学家可以利用单细胞基因组学对肿瘤进行序列分析，以确定哪些基因由恶性细胞表达，哪些基因由非恶性细胞表达，哪些基因由免疫系统或血管表达，这可以促进新癌症药物的开发。

这项技术还可以帮助开发治疗许多其他疾病的药物。在综合分析哪些细胞表达高致病性基因的情况下，了解哪些基因是潜在的药物靶点更具有临床意义。

事实上，Regev并不是唯一一个痴迷于大规模单细胞分析的人。至少从2012年开始，科学家们就想用这些技术来绘制其他类型的人类细胞。加州斯坦福大学的生物工程学家、陈-扎克伯格生物技术中心的联合主任斯蒂芬·奎克(Stephen Quake)说，几乎与此同时，世界各地的研究小组也提出了这个想法。

人类细胞图谱

大约在2014年，Regev开始举办关于细胞定位的讲座和研讨会。英国韦尔科姆信托基金会桑格研究所细胞遗传学负责人莎拉·特希曼(Sarah Teichmann)听到了雷盖夫的想法，并于去年联系了她，询问她是否愿意合作建立一个国际人类细胞图谱项目。该项目不仅需要基因组研究人员的参与，还需要研究各种组织和器官系统的生理专家的参与。

瑞格夫抓住了这个机会，她和泰希曼现在是人类细胞绘图项目的共同负责人。该项目计划对各种人类细胞的核糖核酸进行测序，然后使用这些基因表达谱对细胞进行分类，定义新的细胞，并绘制所有细胞及其分子的空间组织图。

该项目还旨在发现和表征人体内所有可能的细胞状态。科学家认为人体内大约有300种主要的细胞类型，但是雷盖夫认为人体内的细胞类型和状态远远超过这个数字。特希曼指出，该项目仍处于起步阶段。

一些科学家担心人类细胞绘图计划会耗尽其他项目的资金和努力——这是许多类似的大型国际科学项目将会受到的批评。雷盖夫实验室的博士生阿特雷·迪克西特指出，确实存在这样的压力。“我们知道我们会得到很多重要的发现。从学术上讲，这个项目风险低，但成本太高。我们应该考虑如何在学术意义和经济成本之间找到平衡。”

英国剑桥大学的发育生物学家阿齐姆·苏拉尼不确定这个项目是否能平衡数据量和信息深度。“人类细胞图给你一个非常大的图像，但是你不能理解不同的细胞类型和它们之间的关系。因此，很难说人类细胞绘图计划的投入产出比有多高。”他说。

苏拉尼还怀疑单细胞基因组学是否已经足够成熟，可以实施一个重大项目。"这项技术成熟到足以让你充分利用吗？"他说。例如，在没有偏见和不影响核糖核酸质量的情况下，从组织中提取单细胞仍然非常困难。如果许多小组独立探索这些问题，效果可能会比现在直接开发大规模细胞绘图更好。

许多人也担心工程何时完工。然而，雷格夫认为完成并不是唯一的目标。这个计划是模块化的，你可以把它分成许多部分。她说，即使这个项目只记录了视网膜中的所有细胞，它对药物开发还是非常有用的。"时间会证明它的价值。"她说。

现在雷盖夫日夜工作。她的工作强度和重点源于她对细胞的无限热爱。“我是一个非常幸运的人，做我最喜欢的事情。不管你怎么看，细胞都是神奇而迷人的。”她说。(唐毅宸编译)

中国科学新闻(2017-08-09第三版国际版)