人類細胞圖譜計劃是繼人類基因組計劃后的又一項國際合作項目，致力于建立一個表征一切人體細胞的參考圖譜。目前，這項計劃已匯集了多份不同類型的圖譜，但多專注于深入研究單個組織和器官的細胞類型。2022年5月12日，Science雜志發表了泛組織人類細胞圖譜的最新研究成果，整合了人體多個組織和器官的細胞圖譜，有助于更全面地了解疾病致病機制、疫苗研發、細胞工程、腫瘤免疫和再生藥物開發。
引用本文： 陳雨巍, 石毓君. 人類細胞圖譜的研究進展及展望. 中國普外基礎與臨床雜志, 2022, 29(7): 850-851. doi: 10.7507/1007-9424.202206001 復制
基因是攜帶有遺傳信息的DNA序列，是控制性狀的基本遺傳單位。人類基因組計劃完成了一個“標準的”人的參考基因組，助推生物醫學進入精準時代。但細胞才是生命的基本單位，由于各組織和器官的特異性和細胞本身的復雜性，基因組學尚不足以回答健康與疾病的奧秘。于是，“人類細胞圖譜”計劃應運而生，旨在全面解碼人體所有細胞的類型、數量、定位、相互關聯、分子組成等。構建人體所有細胞的分子圖譜已成為科研工作者們共同的愿景。
各種高通量生物學技術為細胞圖譜的構建奠定了基礎。其中單細胞測序多次被Nature Methods雜志列為“年度技術”，Science雜志將其評為“年度十大突破”之一，并預測該技術將改變未來10年的科學發展趨勢。單細胞測序技術使研究者們可以從單細胞層面對基因組、轉錄組及表觀組水平進行測序分析，能更特異、精準地探索單個細胞基因的變異情況，更直接地反映生命基本單位的特性。單細胞技術已幫助研究者們了解穩態和病理條件下單個細胞類型的特征，而細胞如何形成不同的組織和器官以及細胞之間如何相互作用，還需要對不同組織中的細胞進行系統的比較。
2022年5月12日，Science雜志同期發表了4篇里程碑式論文，繪制出了迄今最為全面的“人類細胞圖譜”，覆蓋了100多萬個細胞，包括來自68個捐贈者的33種組織共計500多種細胞類型，這4篇研究整合了人體多個組織和器官的單細胞測序結果，采用系統性的細胞命名方式，通過注釋和比較不同組織和器官間的細胞類型，揭示了具有組織特異性的基因表達和某些未知的細胞功能，為各種細胞在發病機制中的作用提供了基本參照。
Tabula Sapiens Consortium使用單細胞RNA測序構建了24種不同組織和器官的細胞參考圖譜，描繪了400多種人體細胞的分子特征，包括上皮細胞、內皮細胞、基質細胞、免疫細胞等[1]，作為一個龐大的跨組織圖譜，不僅再現了各種類型細胞保守的分子特征，同時比較了特定細胞類型在組織中的分布及組織特異性的基因表達模式。例如，相同的細胞在不同的組織器官如肺、心臟、子宮、肝臟、胰腺、脂肪和肌肉的內皮細胞中表現出獨特的轉錄特征，而來自胸腺、脈管系統、前列腺和眼睛的內皮細胞則彼此相似；相同的基因在不同類型的細胞中存在不同的細胞特異性剪接方式和剪接異構體等。而Eraslan等[2]另辟蹊徑，采用單細胞核RNA測序構建了來自25個樣本8種組織的細胞圖譜，由于該技術可以應用于凍存樣本，有助于捕獲用單細胞RNA測序方法難以分離的神經細胞、肌肉細胞、脂肪細胞等，并可從中發現一些罕見的細胞類型，如前列腺中的神經內分泌細胞和食管中的腸神經元；此外，該研究在單細胞分辨率上破譯了與疾病相關的細胞類型和基因變異，將細胞與人類疾病生物學以及常見和罕見疾病的風險基因聯系起來，從而識別可能導致疾病的細胞類型及其涉及的生物學過程。
人體免疫系統在健康和疾病中起著至關重要的作用。研究人員利用單細胞測序分析了成年人和胚胎發育中的免疫細胞。Domínguez Conde等[3]利用單細胞RNA測序研究了12例成人供體中16種組織的33萬個免疫細胞，通過“CellTypist”算法對細胞群進行深入分析，最終生成了一個包含101種免疫細胞亞群的免疫細胞圖譜，該圖譜詳細繪制了髓系來源和淋巴來源中先天性和適應性免疫細胞的組織分布特征。例如，漿細胞的組織分布受限，而記憶B細胞則分布廣泛；CD8+ 記憶T細胞包括3種亞型，其中效應記憶T細胞/終末分化效應記憶T細胞普遍存在于血液中，組織駐留記憶T細胞富集于腸道，組織駐留記憶T細胞/效應記憶T細胞主要分布在脾臟或骨髓，且每個亞群特異性表達不同的趨化因子受體。此外，Suo等[4]結合單細胞RNA測序、抗原受體庫測序和空間轉錄組學分析了9個產前組織中的100多種細胞，重建了人類早期發育階段的免疫系統圖譜，包括產前造血器官（卵黃囊、肝臟和骨髓）、淋巴器官（胸腺、脾臟和淋巴結）和非淋巴外周器官（皮膚、腎臟和腸道）。多種測序技術聯合分析確定了產前組織免疫細胞的定位，揭示了4個重要生物學現象：① 人類巨噬細胞、肥大細胞和自然殺傷細胞在出生前10~12周即可獲得免疫效應功能；② 單核細胞和T細胞遷移到外周組織前會經歷一個保守的增殖、成熟過程；③ 造血系統和免疫細胞在所有器官中均可有不同程度的發育，并不像過去認為的僅限于卵黃囊、肝臟和骨髓；④ B細胞祖細胞幾乎在所有產前器官中都有很高的豐度，而T細胞祖細胞僅在胸腺中分布。
這些人類泛組織單細胞研究驗證了許多此前未有定論的生物學假說，甚至推翻了某些被奉為教條的理論，其最卓越的貢獻在于生成了一個細胞分辨率水平的大型數據集，為未來生命科學的深入研究提供了重要參考，如將新藥用于臨床試驗前可通過查詢該綜合圖譜來預測、監視新藥的毒副作用及其他安全性問題，避免或減少脫靶效應發生。單細胞生物學是科學發展的必然，也是人類認識整個生命系統的必不可少的基礎。雖道阻且長，但站在巨人的肩膀上，必將更接近于建立一個真正的人類單細胞圖譜“百科全書”，達到在個體基因、細胞類型、組織與表型層面系統性理解人類生物學過程的目的。
重要聲明
利益沖突聲明：本研究中的全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：陳雨巍整理資料與撰寫論文初稿；石毓君指導選題與修改文章。
基因是攜帶有遺傳信息的DNA序列，是控制性狀的基本遺傳單位。人類基因組計劃完成了一個“標準的”人的參考基因組，助推生物醫學進入精準時代。但細胞才是生命的基本單位，由于各組織和器官的特異性和細胞本身的復雜性，基因組學尚不足以回答健康與疾病的奧秘。于是，“人類細胞圖譜”計劃應運而生，旨在全面解碼人體所有細胞的類型、數量、定位、相互關聯、分子組成等。構建人體所有細胞的分子圖譜已成為科研工作者們共同的愿景。
各種高通量生物學技術為細胞圖譜的構建奠定了基礎。其中單細胞測序多次被Nature Methods雜志列為“年度技術”，Science雜志將其評為“年度十大突破”之一，并預測該技術將改變未來10年的科學發展趨勢。單細胞測序技術使研究者們可以從單細胞層面對基因組、轉錄組及表觀組水平進行測序分析，能更特異、精準地探索單個細胞基因的變異情況，更直接地反映生命基本單位的特性。單細胞技術已幫助研究者們了解穩態和病理條件下單個細胞類型的特征，而細胞如何形成不同的組織和器官以及細胞之間如何相互作用，還需要對不同組織中的細胞進行系統的比較。
2022年5月12日，Science雜志同期發表了4篇里程碑式論文，繪制出了迄今最為全面的“人類細胞圖譜”，覆蓋了100多萬個細胞，包括來自68個捐贈者的33種組織共計500多種細胞類型，這4篇研究整合了人體多個組織和器官的單細胞測序結果，采用系統性的細胞命名方式，通過注釋和比較不同組織和器官間的細胞類型，揭示了具有組織特異性的基因表達和某些未知的細胞功能，為各種細胞在發病機制中的作用提供了基本參照。
Tabula Sapiens Consortium使用單細胞RNA測序構建了24種不同組織和器官的細胞參考圖譜，描繪了400多種人體細胞的分子特征，包括上皮細胞、內皮細胞、基質細胞、免疫細胞等[1]，作為一個龐大的跨組織圖譜，不僅再現了各種類型細胞保守的分子特征，同時比較了特定細胞類型在組織中的分布及組織特異性的基因表達模式。例如，相同的細胞在不同的組織器官如肺、心臟、子宮、肝臟、胰腺、脂肪和肌肉的內皮細胞中表現出獨特的轉錄特征，而來自胸腺、脈管系統、前列腺和眼睛的內皮細胞則彼此相似；相同的基因在不同類型的細胞中存在不同的細胞特異性剪接方式和剪接異構體等。而Eraslan等[2]另辟蹊徑，采用單細胞核RNA測序構建了來自25個樣本8種組織的細胞圖譜，由于該技術可以應用于凍存樣本，有助于捕獲用單細胞RNA測序方法難以分離的神經細胞、肌肉細胞、脂肪細胞等，并可從中發現一些罕見的細胞類型，如前列腺中的神經內分泌細胞和食管中的腸神經元；此外，該研究在單細胞分辨率上破譯了與疾病相關的細胞類型和基因變異，將細胞與人類疾病生物學以及常見和罕見疾病的風險基因聯系起來，從而識別可能導致疾病的細胞類型及其涉及的生物學過程。
人體免疫系統在健康和疾病中起著至關重要的作用。研究人員利用單細胞測序分析了成年人和胚胎發育中的免疫細胞。Domínguez Conde等[3]利用單細胞RNA測序研究了12例成人供體中16種組織的33萬個免疫細胞，通過“CellTypist”算法對細胞群進行深入分析，最終生成了一個包含101種免疫細胞亞群的免疫細胞圖譜，該圖譜詳細繪制了髓系來源和淋巴來源中先天性和適應性免疫細胞的組織分布特征。例如，漿細胞的組織分布受限，而記憶B細胞則分布廣泛；CD8+ 記憶T細胞包括3種亞型，其中效應記憶T細胞/終末分化效應記憶T細胞普遍存在于血液中，組織駐留記憶T細胞富集于腸道，組織駐留記憶T細胞/效應記憶T細胞主要分布在脾臟或骨髓，且每個亞群特異性表達不同的趨化因子受體。此外，Suo等[4]結合單細胞RNA測序、抗原受體庫測序和空間轉錄組學分析了9個產前組織中的100多種細胞，重建了人類早期發育階段的免疫系統圖譜，包括產前造血器官（卵黃囊、肝臟和骨髓）、淋巴器官（胸腺、脾臟和淋巴結）和非淋巴外周器官（皮膚、腎臟和腸道）。多種測序技術聯合分析確定了產前組織免疫細胞的定位，揭示了4個重要生物學現象：① 人類巨噬細胞、肥大細胞和自然殺傷細胞在出生前10~12周即可獲得免疫效應功能；② 單核細胞和T細胞遷移到外周組織前會經歷一個保守的增殖、成熟過程；③ 造血系統和免疫細胞在所有器官中均可有不同程度的發育，并不像過去認為的僅限于卵黃囊、肝臟和骨髓；④ B細胞祖細胞幾乎在所有產前器官中都有很高的豐度，而T細胞祖細胞僅在胸腺中分布。
這些人類泛組織單細胞研究驗證了許多此前未有定論的生物學假說，甚至推翻了某些被奉為教條的理論，其最卓越的貢獻在于生成了一個細胞分辨率水平的大型數據集，為未來生命科學的深入研究提供了重要參考，如將新藥用于臨床試驗前可通過查詢該綜合圖譜來預測、監視新藥的毒副作用及其他安全性問題，避免或減少脫靶效應發生。單細胞生物學是科學發展的必然，也是人類認識整個生命系統的必不可少的基礎。雖道阻且長，但站在巨人的肩膀上，必將更接近于建立一個真正的人類單細胞圖譜“百科全書”，達到在個體基因、細胞類型、組織與表型層面系統性理解人類生物學過程的目的。
重要聲明
利益沖突聲明：本研究中的全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：陳雨巍整理資料與撰寫論文初稿；石毓君指導選題與修改文章。