相较于小鼠,人类巨噬细胞的起源和发育的研究一直以来困难重重,因为在发育早期巨噬细胞不但极其稀少,更无法示踪标记。暨南大学基础医学院兰雨研究员课题组经过多年科研积淀,终于拥有了揭开这个一直困扰科学界谜团的“金钥匙”,那就是单细胞组学技术。6月25日,兰雨课题组的合作研究在人类巨噬细胞发育领域取得重要进展,相关研究成果在《自然》发表。

该研究为巨噬细胞相关疾病的诊断治疗带来突破性认识和进展。图为兰雨(左1)研究团队。

什么是单细胞组学技术?

单细胞组学技术为什么被称之为“金钥匙”呢?

“组学能看到整个细胞的全貌、整个的转录组、整个的蛋白表达水平。组学是一个整体的维度。如果说平时的研究有点像盲人摸象,那组学能够更完整看到事物的全貌。”兰雨说。

目前,单细胞组学是一个研究热门话题。因为对于生物体的发育过程,常规的组学技术挑战不小。如一个胚胎可能只含有十几个干细胞,依赖于比较大细胞通量的组学技术很难捕捉到。“单细胞组学研究比常规的细胞群体研究可以揭示更多细胞类型和亚群的多样性,其能看到每个细胞所表达的基因全貌,信息量非常巨大,这是单细胞组学技术的强大之处”。兰雨指出,“随着单细胞测序技术的发展,提高了我们利用单细胞组学开展研究的能力。”

2009年,目前任职北京大学的汤富酬教授在博士后期间发表了世界上第一篇单细胞转录组测序技术的研究文章,自此正式拉开了单细胞转录组研究的大门。近年来,全球越来越多的科学家加入到单细胞组学的研究领域中。

其时,兰雨敏锐认识到单细胞组学技术能够帮助认识细胞发育的世界。2016年,兰雨开始和汤富酬以及刘兵团队开展科研合作。

合作过程中,兰雨带领课题组逐步搭建起单细胞组学技术平台。“一个是单细胞转录本的建库和测序系统,另一个是生物信息学分析系统,这两个重大平台支撑了单细胞组学技术。”自此,她利用这把“金钥匙”,在人类造血干细胞和T淋巴细胞发育、小鼠造血干细胞发育的血管起源等方面合作取得一系列重要进展。

首次绘制人胚早期造血细胞发育图谱

“虽然造血干细胞可以分化成所有类型的血液细胞,但有些血液细胞的发育并不完全依赖于从造血干细胞分化而来,巨噬细胞就属于其中的一种。人体胚胎发育中,先产生一些造血干细胞非依赖的造血谱系,随后才发育出造血干细胞。越是发育早期,细胞数量越稀缺,且细胞发育迅速,转瞬即逝,难于捕获,这也是巨噬细胞发育研究的特点。”兰雨介绍。

此次研究中,兰雨课题组通过高精度的单细胞转录组测序技术,绘制了人胚(孕8周内)造血细胞发育图谱;结合转录组、免疫表型和功能三个层面定义了人胚第一个具有多系分化潜能的造血祖细胞群体,即非造血干细胞来源的早期髓系祖细胞YSMP;精准解析了巨噬细胞尤其是小胶质细胞的起源和特化过程,包括明确了人胚期巨噬细胞的多重起源,以及组织驻留型巨噬细胞特化过程中的关键分子特征。

这些重要的科学发现,不但解决了组织驻留型巨噬细胞“从哪里来到哪里去”的核心问题,更从单细胞层面解析了其逐渐蜕变转化的分子过程。所研究绘制的人胚造血细胞发育图谱包含了造血干细胞发生之前的事件,其把对造血发育的解析时间点推前到造血干细胞发生之前。尤为关键的是,这是该领域第一个对人的研究,而非小鼠。

“发育生物学的研究特别依赖于模式生物,之前的研究更多是以小鼠为代表的模式生物研究造血细胞发育。对于巨噬细胞的起源争议历来特别大。”兰雨表示,发育生物学的研究最终是为了回到人类,为人类健康服务的。

为相关疾病诊断治疗提供重要参考

业内人士指出,该研究成果在为生命科学研究提供宝贵数据的同时,也可能为巨噬细胞相关疾病的诊断和治疗带来突破性的认识和进展。

“传统上,巨噬细胞被认为是一种免疫细胞,它的功能在于负责抵抗外来入侵的细菌病原体。但事实上目前研究认为巨噬细胞的功能远超出免疫范畴,例如其在神经、血液系统发育过程中都发挥着重要作用。”兰雨指出,巨噬细胞引起的相关疾病,并非都是由于巨噬细胞自身出了问题,而是在一些疾病发生过程中,巨噬细胞的参与可能出了问题。

研究发现,如动脉粥样硬化、主动脉瘤此类的疾病,因巨噬细胞的过度活化,可能加重了疾病的进展。而老年痴呆这些类型的疾病也都涉及到巨噬细胞的功能异常等原因。

“清楚了巨噬细胞参与到疾病中的病理生理过程,那么我们可以设法调节它,让它更好发挥功能。我们绘制出的人胚造血细胞发育图谱,虽然为认识很多疾病提供的不是最直接,但却是一个全维度的生理参考图谱,这样能够看到潜在的分子可能在某类疾病中被异常地抑制或激活,从而为下一步的干预治疗提供指导。”她阐释道。

单细胞组学技术本身特别强大,几乎所有生命科学的领域都已运用到。“整个大科学发展实则是一个技术驱动的过程,目前仍在层出不穷地产生新技术。单细胞组学技术也不例外。”兰雨表示,团队也在继续开发新的组学技术。人胚造血细胞发育图谱为研究打开了很多扇门,未来希望借助新的技术在此领域进行更加深入研究。（科技日报 记者叶青）