人类细胞图谱里程碑式进展——多组织百万级细胞图谱

【字体: 时间:2022年05月14日 来源:HCA

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  人类细胞图谱的目标是绘制人体内每种细胞类型的图谱,以转变我们对生物学、感染和疾病的知识,这是一个里程碑式的进步,今天(5月13日)有四项研究发表在《Science》杂志上。

  

国际人类细胞图谱(HCA)联盟的研究人员绘制了人体33个器官和系统中超过100万个单个细胞的高度详细地图,为人类健康和疾病,包括免疫系统,提供了新的生物学见解。

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,包括让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。

到目前为止,HCA主要致力于对单个器官、组织或组织的小部分获得深入的细胞理解。现在,英国威尔康·桑格研究所的研究人员进行了四项主要的合作研究;美国麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所;美国陈扎克伯格生物中心;他们的国际合作者开发了方法,并创建了迄今为止最全面的人类细胞跨组织图谱。

这些图谱可以公开获取,让研究人员能够详细比较全身的特定细胞类型,揭示新的细胞功能,并揭示健康和疾病。

深入研究免疫系统的各个组织

历史上,我们对人类免疫系统的理解主要局限于血液中循环细胞的作用,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。在其中一篇科学论文中,剑桥大学威尔康·桑格研究所的研究人员及其合作者对来自成人全身的33万个单一免疫细胞的RNA进行了测序,以了解不同组织中免疫细胞的功能。

在创建了人体内免疫细胞的精心策划的目录后,该团队开发了一种机器学习工具——CellTypist——来自动识别细胞类型。利用这个工具,他们鉴定了大约100种不同类型的免疫细胞,包括特异性巨噬细胞、T细胞和B细胞,以及它们在不同组织中的分布。

Sarah Teichman博士,人类细胞图谱组织委员会联席主席,该论文的资深作者说:“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。通过比较来自同一捐赠者的多个组织中的特定免疫细胞,我们在身体的不同部位发现了不同味道的记忆T细胞,这可能对控制感染具有重大意义。我们公开获得的数据将有助于这是一个细胞图谱,可以作为设计疫苗的框架,或改进针对癌症的免疫疗法的设计。”

剑桥大学桑格研究所(Sanger Institute,University of Cambridge)及其合作者的第二项研究发表在《今日科学》(Science today)上,该研究创建了一个全面的人体免疫系统跨器官发育图谱,揭示了参与血液和免疫细胞形成的组织,并增强了我们对免疫疾病的理解。它还揭示了我们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信息。

冷冻组织图谱揭示了罕见和常见疾病基因


单细胞图谱的承诺之一是帮助绘制疾病基因在人体内作用的特定细胞类型,这些疾病基因来自导致肌肉萎缩症等罕见疾病或导致心脏病等常见疾病风险的基因。它需要对所有类型的细胞进行分析,包括骨骼肌细胞、脂肪细胞和难以捕捉的神经元。来自大量个体的细胞也很重要,需要科学家在分析之前收集并冷冻组织。

在《科学》杂志的一篇新论文中,Broad研究所的研究人员及其合作者揭示了他们如何优化单核RNA测序以克服使用冷冻细胞的挑战,然后创建了一个跨组织图谱,以分析来自多个冷冻组织的200000个细胞,重点关注罕见和常见疾病基因。然后,该团队使用新的机器学习算法,将图谱中的细胞与6000种单基因疾病和2000种复杂的基因疾病和特征进行系统关联,以确定可能与疾病有关的细胞类型和基因程序,为健康和疾病的新研究揭示了多个新的起点。

Aviv Regev博士,人类细胞图谱联合主席,Broad研究所和麻省理工学院休假教员,现任基因泰克研究和早期开发负责人,该论文资深作者,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法,通过深入学习计算技术的进步,可以分析全身冷冻组织样本中的细胞,并为在单细胞水平上研究整个患者队列中的组织开辟了道路。通过直接将细胞与人类疾病生物学和跨组织疾病风险基因联系起来,我们能够为多种疾病创建一个新的路线图。我们预计这项工作将导致许多新的研究,并使人类细胞图谱正在进行的努力能够构建所有人类细胞的参考图谱。”

广泛的跨组织细胞图谱

这组论文的最后一篇描述了一项非常大型的跨组织研究,由来自Chan-Zuckerberg Biohub(CZ Biohub)的研究人员及其合作者进行。该团队使用活细胞的单细胞RNA测序来分析来自同一捐赠者的许多器官,这使得跨组织比较能够控制遗传背景、年龄和环境影响。收集了近50万个细胞,提供了一个独特的广泛的活细胞跨组织图谱,并创建了一个研究人员称之为“白板智人(The Tabula Sapiens)”的数据集。

白板智人数据可以详细描述400多种特定细胞类型、它们在组织中的分布和基因表达变化。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。这项研究为研究人员提供了大量由人类专家注释的细胞类型的研究资源,将为基础生物学和疾病提供重要的新见解。

CZ Biohub网络总裁斯蒂芬·奎克教授、斯坦福大学生物工程教授兼应用物理学教授李·奥特森教授以及该论文的资深作者,他说:“Tabula Sapiens是一个参考地图集,提供了人体24个器官中数百种细胞类型的分子定义。它代表了多个机构150多名作者的努力;科学界将在未来多年从这一资源中发现人类生物学的新见解。”

HCA跨组织数据和工具

HCA是一个国际合作联盟,负责绘制健康身体中的细胞类型,为研究健康和疾病提供了前所未有的资源。HCA是一个开放的、前沿的、由科学家领导的联盟,是全世界研究人员、研究所和资助者的合作成果,有来自全球83个国家的2300多名成员。

随着对开放获取、道德和全球公平的承诺,HCA数据可以公开获取,以造福世界各地的人们。这些研究和其他研究的数据可在HCA数据门户网站上免费获取,全球研究人员可通过HCA数据协调平台、剑桥细胞图谱、广泛的单细胞门户网站和UCSC细胞浏览器访问这些数据。

瑞典卡罗琳斯卡学院的Sten Linnarsson教授是HCA组织委员会成员,他说:“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,通过在发育和成年期对相同细胞类型进行系统、深入的比较。它们是在生成人体内所有细胞类型的人类细胞图谱方面向前迈出的一大步,为一项新的研究奠定了基础诊断、医疗保健和精确医学的时代。”

参考文献:

C. Domínguez Conde, C Xu, LB Jarvis, DB Rainbow, SB Wells et al. ‘Cross-tissue immune cell analysis reveals tissue-specific adaptations and clonal architecture in humans.’ (2022) Science.
DOI: 10.1126/science.abl5197
Chenqu Suo and Emma Dann et al. ‘Mapping the developing human immune system across organs’ (2022) Science.
DOI: 10.1126/10.1126/science.abo0510
Gokcen Eraslan and Eugene Drokhlyansky et al. ‘Single-nucleus cross-tissue molecular reference maps towards understanding disease gene function.’ (2022) Science.
DOI: 10.1126/science.abl4290
The Tabula Sapiens Consortium. ‘The Tabula Sapiens: a multiple organ single cell transcriptomic atlas of humans.’  (2022) Science.
DOI: 10.1126/science.abl4896



 

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