四篇Science论文构建出多组织细胞图谱，让人们对免疫和疾病有了新的认识

如今，发表在Science期刊上的四项新的研究表明，人类细胞图谱（Human Cell Atlas, HCA）绘制人体每一种细胞类型以改变我们对生物学、感染和疾病的认识的目标又迈出了里程碑式的一步。

来自国际人类细胞图谱（HCA）联盟的研究人员为人体33种器官和系统中的100多万个单个细胞绘制了高度详细的图谱，为人类健康和疾病提供了新的生物学见解，包括免疫系统。这些互补的多组织细胞图谱将有助于形成单一的人类细胞图谱，并具有许多治疗意义，包括为我们了解常见和罕见疾病、疫苗开发、抗肿瘤免疫学和再生医学提供信息。

图片来自CC0 Public Domain。

在此之前，HCA主要集中在对单个器官、组织或组织的一小部分获得深入的细胞理解。如今，来自英国韦尔科姆基金会桑格研究所、美国布罗德研究所、陈-扎克伯格生物中心的研究人员以及他们的国际合作者进行了四项主要的合作研究，开发出一些新的方法并构建出迄今为止最全面的跨组织图谱。

这些图谱是公开的，使得科学家们能够精细地比较整个身体的特定细胞类型，揭示新的细胞功能，并阐明健康和疾病。

深入研究不同组织的免疫系统

一直以来，人们对人类免疫系统的了解主要局限于血液中循环免疫细胞的作用，然而组织内的免疫细胞在维持健康和对抗感染方面发挥着关键作用。在第一项新的研究中，来自韦尔科姆基金会桑格研究所、剑桥大学及其合作机构的研究人员对来自整个成人身体的33万个免疫细胞的RNA进行了测序，以了解不同组织中免疫细胞的功能。相关研究结果发表在2022年5月13日的Science期刊上，论文标题为“Cross-tissue immune cell analysis reveals tissue-specific features in humans”。

在构建出一个人体免疫细胞的精细目录后，这些作者开发出一种机器学习工具---CellTypist，以自动识别细胞类型。利用这一工具，他们确定了大约一百种不同类型的免疫细胞，包括特定的巨噬细胞、T细胞和B细胞以及它们在不同组织中的分布。

人类细胞图谱组织委员会联合主席、韦尔科姆基金会桑格研究所细胞遗传学负责人Sarah Teichmann博士说，“通过人类细胞图谱对细胞的详细了解将有助于解释人类健康和疾病的许多方面。通过比较同一供者的多个组织中的特定免疫细胞，我们在身体的不同区域发现了不同类型的记忆T细胞，这可能对控制感染有很大的影响。我们公开的数据将有助于人类细胞图谱，并可能作为设计疫苗的框架，或改进攻击癌症的免疫疗法的设计。”

在第二项新的研究中，来自韦尔科姆基金会桑格研究所、剑桥大学及其合作机构的研究人员构建出一个跨器官的发育中人类免疫系统的全面图谱，揭示了参与血细胞和免疫细胞形成的组织，并增强了人们对免疫疾病的理解。它还揭示了在人类成长过程中丢失的细胞类型，为体外细胞工程和再生医学研究提供参考。相关研究结果于2022年5月12日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Mapping the developing human immune system across organs”。

来自冷冻组织的图谱揭示了罕见和常见疾病基因

单细胞图谱的前景之一是帮助绘制特定细胞类型的图谱，在这些特定细胞类型中，疾病基因---从那些导致肌肉萎缩症等罕见疾病的基因到那些导致心脏病等常见疾病风险的基因---在整个人体中发挥作用。它需要对所有的细胞类型进行分析，包括骨骼肌细胞、脂肪细胞和难以捕捉的神经元。来自更多个体的细胞也是至关重要的，这需要科学家们在分析前收集和冷冻组织。

在第三项新的研究中，来自布罗德研究所的研究人员和他们的合作者揭示了他们如何优化单核RNA测序（snRNA-seq）以克服使用冷冻细胞的挑战，然后构建出一个跨组织图谱来分析来自多个冷冻组织的20万个细胞，重点关注导致罕见疾病和常见疾病的基因。利用新型机器学习算法，他们随后将这种图谱中的细胞与6000种单基因疾病和2000种复杂的遗传疾病和性状系统地联系起来，以确定可能参与疾病的细胞类型和基因程序，为未来针对健康和疾病的新研究提供了多个新起点。相关研究结果发表在2022年5月13日的Science期刊上，论文标题为“Single-nucleus cross-tissue molecular reference maps toward understanding disease gene function”。

人类细胞图谱联合主席Aviv Regev博士说，“我们的单核人类细胞图谱研究展示了一种强大的大规模方式，用深度学习的计算进展来分析来自整个身体的冷冻组织样本的细胞，并为在单细胞水平上研究整个患者队列的组织开辟了道路。我们能够为多种疾病建立一个新的路线图，通过直接将细胞与人类疾病生物学和跨组织的疾病风险基因联系起来。我们预计这项研究工作将导致许多新的研究，并使正在进行的人类细胞图谱努力能够为所有人类细胞建立一个参考图谱。”

Tabula Sapiens：广泛的跨组织细胞图谱

第四项新的研究描述了来自陈-扎克伯格生物中心的研究人员及其合作者的一项非常大的跨组织研究。他们使用活细胞的单细胞RNA测序来分析来自同一供者的许多器官，这使得跨组织的比较可以控制遗传背景、年龄和环境影响。近50万个细胞的收集提供了一个独特的来自活细胞的广泛的跨组织图谱，并构建出一个被他们称为“Tabula Sapiens”的数据集。相关研究结果发表在2022年5月13日的Science期刊上，论文标题为“The Tabula Sapiens: A multiple-organ, single-cell transcriptomic atlas of humans”。

Tabula Sapiens数据允许详细表征400多种特定的细胞类型、它们在不同组织中的分布和基因表达的变化。此外，通过分析活细胞，他们的数据还实现了对单细胞图谱中选择性基因剪接的首次大规模分析。这项新的研究为科学家们提供了一个巨大的人类专家注释细胞类型的研究资源，这将为基础生物学和疾病提供重大的新见解。

陈-扎克伯格生物中心网络主席、斯坦福大学生物工程教授和应用物理学教授Stephen Quake教授说，“Tabula Sapiens是一个参考图谱，提供了人体24种器官中数百种细胞类型的分子定义。它代表了几个研究机构的150多名作者的努力；科学界将在未来许多年里从这个资源中发现对人类生物学的新见解。”

HCA跨组织数据和工具可公开获得

HCA是一个国际合作联盟，它描绘了健康人体的细胞类型，为研究健康和疾病提供了一个前所未有的资源。HCA是一个开放、前沿、科学家主导的联盟，是全球研究人员、研究所和资助者的合作努力，拥有来自全球83个国家的2300多名成员。

通过对开放存取、伦理和全球公平的承诺，HCA的数据是可公开获得，使世界各地的人们受益。这些数据和其他研究的数据可以在HCA数据门户上免费获得，全世界的科学家们可以通过HCA数据协调平台（HCA Data Coordination Platform）以及剑桥细胞图谱（Cambridge Cell Atlas）、布罗德单细胞门户（Broad Single Cell Portal）和加州大学旧金山分校细胞浏览器（UCSC Cell Browser）访问这些数据。

HCA组织委员会成员、瑞典卡罗林斯卡医学院的Sten Linnarsson教授说，“人类细胞图谱正在改变我们对生物学和疾病的理解。这些跨组织研究代表了HCA和单细胞生物学的一个里程碑，因为它们能够系统地、深入地比较发育期间和成年时期的相同细胞类型。它们是向构建人体所有细胞类型的人类细胞图谱迈出的一大步，为诊断、保健和精准医疗的新时代奠定了基础。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. C. Domínguez Conde et al. Cross-tissue immune cell analysis reveals tissue-specific features in humans. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl5197.

2. Chenqu Suo et al. Mapping the developing human immune system across organs. Science, 2022, 2022, doi:10.1126/science.abo0510.

3. Gökcen Eraslan et al. Single-nucleus cross-tissue molecular reference maps towards understanding disease gene function. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl4290.

4. The Tabula Sapiens Consortium. The Tabula Sapiens: a multiple organ single cell transcriptomic atlas of humans. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl4896.

5. Multi-tissue cell atlases lead to leap of understanding of immunity and disease
https://medicalxpress.com/news/2022-05-multi-tissue-cell-atlases-immunity-disease.html