人類肢體發育單細胞圖譜的構建及細胞類型的時空分佈 中山大學供圖
把雞胚胎裏形成前肢的細胞團切下，移植到背部，竟然能夠長出完整的翅膀；去除成年蠑螈的腿，它能夠很快再生，即使在切除8次到10次之後，依然能長出新的腿，且幾乎看不出傷痕。然而，包括人在內，大多數哺乳動物卻在進化過程中喪失了這種成年後再生能力。
近日，中山大學中山醫學院教授張宏波課題組在英國《自然》雜誌發表論文，發佈了首個人類肢體發育單細胞時空圖譜，解析了胎兒四肢的細胞演變路徑和細胞空間位置決定過程。
該成果為進一步研究肢體發育的詳細調節機制、肢體發育異常的細胞生理機制，乃至更廣泛的發育和再生過程中細胞命運調節機制和空間位置建成機制提供了重要參考。
在這項研究中，張宏波團隊與合作者試圖回答兩個關鍵問題：肢體細胞的發展是如何決定的？例如，為何原本一樣的細胞，有的後來變成了纖維細胞，有的成為骨骼的一部分？細胞的空間位置又是如何決定的？例如，一隻正常發育的手為什麼是5根手指，為什麼大拇指的方向跟其他4根手指不一樣？
探秘生命科學底層問題
張宏波團隊從第五周初到第九周胚胎連續取樣，獲得超過10萬個細胞，每個細胞約2000個基因，通過計算分析，團隊率先構建起精細的、包含所有細胞類型的人類四肢發育單細胞圖譜。
通過團隊自主研發的單細胞數據分析工具——DEAPLOG，他們還能夠更好地找到每一個細胞的特徵，尋找到關鍵基因，並在此基礎上將這些基因錨定到細胞演變的路徑上。
為什麼人的四肢切除後就不能再生長？在張宏波看來，肢體建成的時空調節機制是一個經典的發育生物學難題。發育與再生本質上具有相似性，如果能夠加深對發育的理解，就可能對四肢的再生建構起本質上的前提和基礎。
“對這一過程的任何微小擾動都可能産生顯著的下游效應。”論文共同第一作者、張宏波團隊博士後王帥玉發現，四肢發育異常是全球報告最多的出生綜合徵之一，全球大約每500名新生兒即可發現一例。
單細胞技術為揭秘創造可能
長期以來，科學家在研究這個問題時，會在小鼠、雞等模式動物上進行實驗。一系列肢體形成的基本問題，如近遠軸的幾個關鍵決定基因、前後軸的基本細胞定位和信號通路等已經得到初步闡釋。然而，囿于技術和倫理限制，人類肢體發育詳細的細胞演變路徑、決定細胞命運的關鍵基因與疾病的聯繫等尚未研究。更重要的是，模式動物中發現的肢體形成機制與人類有多大的相似性，以及有多大程度可以用於人類再生醫學實踐亦長期存疑。
以往，科學家只能追蹤某一種細胞的發育路徑，比如肌肉細胞、骨細胞的命運，頂多同時追蹤兩到三種細胞，無法看到所有細胞的命運是如何演化的。而對於細胞的空間位置決定，科學家通過對胚胎做切片，然後進行單一或少數細胞染色，了解到的基因數量十分有限。
而單細胞轉錄組技術和單細胞空間轉錄組技術的發展，使得探秘細胞演化過程成為可能。
演化的過程如何調控？張宏波認為，這依賴於細胞之間非常迅速而精確的協調。他説，在發育過程中，人類四肢的形成並非一蹴而就，而是經歷過複雜的細胞演變過程。在胚胎發育第四週末，四肢僅以簡單的幾乎均一細胞團形狀凸起出現在身體的兩側，但到了第八周，這一細胞團則已經完全分化，形成具有複雜解剖結構的四肢，並形成完整的手指和腳趾。
在此基礎上，團隊利用空間轉錄組學技術精確定位已知類型細胞在肢體中的確切位置，以及隨著發育時間變化細胞位置的變化規律。論文共同第一作者、張宏波團隊博士後張寶介紹，利用這一圖譜，他們能夠直觀地追蹤特定時間和區域産生的細胞類型，鑒定到全新的細胞類型，並且可以刻畫不同種類細胞激活的關鍵基因。
“當這些基因的表達不遵循既定模式，而又行使關鍵調控作用時，就可能導致特殊的發育表型，比如短指（手指或腳趾短）和多指（多餘的手指或腳趾）等發育異常的現象。”張寶説。
再生醫學更多應用未來可期
“我們關注的是細胞命運的兩極，也就是發育和衰老，現正在慢慢打通中間的環節。”張宏波透露，團隊同時在開展關於人體肌肉衰老的研究，探究肌肉裏面存在哪些細胞類型，又是如何相互作用造成肌肉衰老的。
目前，該研究的相關技術在醫學領域的直接應用仍然較少，但對細胞命運決定的深入理解，將使其未來應用成為可能。例如，間充質幹細胞和成纖維細胞因其具有變成多種細胞的能力，在人體組織損傷後會自發用於組織修復，但現階段廣泛的臨床醫學應用則面臨許多風險，這包括防止細胞的過度增生、病變等。
“要實現更多的應用，就要對細胞發育、生長有更多的認識。認識得越多，就越可控。”張宏波説。
據悉，中山大學張宏波教授、英國Sanger研究所Sarah Teichmann教授為該論文共同通訊作者。張寶、Peng He（Sarah Teichmann課題組博士後）、John Lawrence（Sarah Teichmann課題組博士生）、王帥玉為該論文共同第一作者。（中青報·中青網：林潔 朱嘉豪 李建平）
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