人类细胞图谱的研究进展及展望

人类细胞图谱计划是继人类基因组计划后的又一项国际合作项目，致力于建立一个表征一切人体细胞的参考图谱。目前，这项计划已汇集了多份不同类型的图谱，但多专注于深入研究单个组织和器官的细胞类型。2022年 5月 12日，Science 杂志发表了泛组织人类细胞图谱的新研究成果，整合了人体多个组织和器官的细胞图谱，有助于更全面地了解疾病致病机制、疫苗研发、细胞工程、肿瘤免疫和再生药物开发。

基因是携带有遗传信息的DNA序列，是控制性状的基本遗传单位。人类基因组计划完成了一个“标准的”人的参考基因组，助推生物医学进入时代。但细胞才是生命的基本单位，由于各组织和器官的特异性和细胞本身的复杂性，基因组学尚不足以回答健康与疾病的奥秘。于是，“人类细胞图谱”计划应运而生，旨在全面解码人体所有细胞的类型、数量、定位、相互关联、分子组成等。构建人体所有细胞的分子图谱已成为科研工作者们共同的愿景。

各种高通量生物学技术为细胞图谱的构建奠定了基础。其中单细胞测序多次被Nature Methods杂志列为“年度技术”，Science杂志将其评为“年度十大突破”之一，并预测该技术将改变未来10年的科学发展趋势。单细胞测序技术使研究者们可以从单细胞层面对基因组、转录组及表观组水平进行测序分析，能更特异、探索单个细胞基因的变异情况，更直接地反映生命基本单位的特性。单细胞技术已帮助研究者们了解稳态和病理条件下单个细胞类型的特征，而细胞如何形成不同的组织和器官以及细胞之间如何相互作用，还需要对不同组织中的细胞进行系统的比较。 

2022年5月12日，Science杂志同期发表了4篇里程碑式论文，绘制出了迄今为全面的“人类细胞图谱”，覆盖了100多万个细胞，包括来自68个捐赠者的33种组织共计500多种细胞类型，这4篇研究整合了人体多个组织和器官的单细胞测序结果，采用系统性的细胞命名方式，通过注释和比较不同组织和器官间的细胞类型，揭示了具有组织特异性的基因表达和某些未知的细胞功能，为各种细胞在发病机制中的作用提供了基本参照。

Tabula Sapiens Consortium使用单细胞RNA测序构建了24种不同组织和器官的细胞参考图谱，描绘了400多种人体细胞的分子特征，包括上皮细胞、内皮细胞、基质细胞、免疫细胞等[1]，作为一个庞大的跨组织图谱，不仅再现了各种类型细胞保守的分子特征，同时比较了特定细胞类型在组织中的分布及组织特异性的基因表达模式。例如，相同的细胞在不同的组织器官如肺、心脏、子宫、肝脏、胰腺、脂肪和肌肉的内皮细胞中表现出独特的转录特征，而来自胸腺、脉管系统、前列腺和眼睛的内皮细胞则彼此相似；相同的基因在不同类型的细胞中存在不同的细胞特异性剪接方式和剪接异构体等。而Eraslan等[2]另辟蹊径，采用单细胞核RNA测序构建了来自25个样本8种组织的细胞图谱，由于该技术可以应用于冻存样本，有助于捕获用单细胞RNA测序方法难以分离的神经细胞、肌肉细胞、脂肪细胞等，并可从中发现一些罕见的细胞类型，如前列腺中的神经内分泌细胞和食管中的肠神经元；此外，该研究在单细胞分辨率上破译了与疾病相关的细胞类型和基因变异，将细胞与人类疾病生物学以及常见和罕见疾病的风险基因联系起来，从而识别可能导致疾病的细胞类型及其涉及的生物学过程。

人体免疫系统在健康和疾病中起着至关重要的作用。研究人员利用单细胞测序分析了成年人和胚胎发育中的免疫细胞。Domínguez Conde等[3]利用单细胞RNA测序研究了12例成人供体中16种组织的33万个免疫细胞，通过“CellTypist”算法对细胞群进行深入分析，生成了一个包含101种免疫细胞亚群的免疫细胞图谱，该图谱详细绘制了髓系来源和淋巴来源中先天性和适应性免疫细胞的组织分布特征。例如，浆细胞的组织分布受限，而记忆B细胞则分布广泛；CD8+记忆T细胞包括3种亚型，其中效应记忆T细胞/终末分化效应记忆T细胞普遍存在于血液中，组织驻留记忆T细胞富集于肠道，组织驻留记忆T细胞/效应记忆T细胞主要分布在脾脏或骨髓，且每个亚群特异性表达不同的趋化因子受体。此外，Suo等[4]结合单细胞RNA测序、抗原受体库测序和空间转录组学分析了9个产前组织中的100多种细胞，重建了人类早期发育阶段的免疫系统图谱，包括产前造血器官（卵黄囊、肝脏和骨髓）、淋巴器官（胸腺、脾脏和淋巴结）和非淋巴外周器官（皮肤、肾脏和肠道）。多种测序技术联合分析确定了产前组织免疫细胞的定位，揭示了4个重要生物学现象：①人类巨噬细胞、肥大细胞和自然杀伤细胞在出生前10~12周即可获得免疫效应功能；②单核细胞和T细胞迁移到外周组织前会经历一个保守的增殖、成熟过程；③造血系统和免疫细胞在所有器官中均可有不同程度的发育，并不像过去认为的仅限于卵黄囊、肝脏和骨髓；④B细胞祖细胞几乎在所有产前器官中都有很高的丰度，而T细胞祖细胞仅在胸腺中分布。

这些人类泛组织单细胞研究验证了许多此前未有定论的生物学假说，甚至推翻了某些被奉为教条的理论，其卓越的贡献在于生成了一个细胞分辨率水平的大型数据集，为未来生命科学的深入研究提供了重要参考，如将新药用于临床试验前可通过查询该综合图谱来预测、监视新药及其他安全性问题，避免或减少脱靶效应发生。单细胞生物学是科学发展的必然，也是人类认识整个生命系统的必不可少的基础。虽道阻且长，但站在巨人的肩膀上，必将更接近于建立一个真正的人类单细胞图谱“百科全书”，达到在个体基因、细胞类型、组织与表型层面系统性理解人类生物学过程的目的。