一個(gè)重要的國(guó)際項(xiàng)目正在嘗試創(chuàng)建所有人體細(xì)胞的第一個(gè)全面的三維地圖，最終可能揭示有關(guān)我們的健康以及我們的身體如何運(yùn)作的秘密。自科學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)我們的身體由稱為細(xì)胞的微小構(gòu)建塊組成以來已有將近350年。今天我們對(duì)它們的性質(zhì)知之甚少，但如果我們這樣做，我們就能更好地了解我們的身體是如何運(yùn)作的，疾病如何影響我們以及我們?nèi)绾嗡ダ稀?/p>

一個(gè)名為全球項(xiàng)目哺乳動(dòng)物細(xì)胞阿特拉斯現(xiàn)在正在嘗試創(chuàng)造人類的第一個(gè)全面的三維地圖的身體為了揭開其中的一些奧秘。立陶宛維爾紐斯大學(xué)的生物化學(xué)家Linas Mazutis博士說，它有望產(chǎn)生與人類基因組測(cè)序時(shí)相同的影響。“人類細(xì)胞圖譜可以為開發(fā)新技術(shù)和提供有關(guān)人體的新答案奠定基礎(chǔ)。”

該項(xiàng)目還可以更好地診斷和治療疾病，但對(duì)所有人體細(xì)胞進(jìn)行普查并非易事 - 每個(gè)成年人估計(jì)有40萬億。Mazutis博士負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)歐盟資助的一項(xiàng)名為“細(xì)胞滴入”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在開發(fā)創(chuàng)建這一巨大人體細(xì)胞圖譜所需的一些技術(shù)。

他們的技術(shù)允許將數(shù)以千計(jì)的單個(gè)細(xì)胞快速分離成大約100微米的微小水滴 - 大約與人類頭發(fā)相同的寬度。這種方法稱為液滴微流體，可以裝載生化試劑，打開細(xì)胞，將其內(nèi)容物溢出到被包裹的水中。

這基本上將每個(gè)液滴變成微觀試管，其中可以分析遺傳物質(zhì)或其它內(nèi)容物。“我們特別關(guān)注單細(xì)胞的基因表達(dá)程序，”Mazutis博士說。

這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)椴⒎侨梭w內(nèi)每個(gè)細(xì)胞中的所有基因或DNA都被打開 - 在某些組織中某些基因被停用而其他基因被放大。DNA也可以根據(jù)其所在的細(xì)胞以不同的方式讀取，這意味著可以從相同的遺傳密碼產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。

為了解開這種復(fù)雜性，Mazutis博士與哈佛大學(xué)的同事合作開發(fā)了一種技術(shù)，該技術(shù)分析了另一種稱為核糖核酸(RNA)的遺傳物質(zhì)。

條形碼

RNA通過幫助將DNA代碼轉(zhuǎn)化為細(xì)胞生長(zhǎng)或復(fù)制所需的蛋白質(zhì)，在細(xì)胞中發(fā)揮重要作用。然后分析這可以揭示細(xì)胞活動(dòng)和功能的細(xì)節(jié)。

Mazutis博士使用的技術(shù)將RNA從一個(gè)微滴中的細(xì)胞轉(zhuǎn)換回DNA，但在基因序列中添加了獨(dú)特的條形碼。然后將來自所有液滴的遺傳物質(zhì)合并在一起并進(jìn)行大量分析。由于來自每個(gè)液滴的遺傳物質(zhì)已經(jīng)用條形碼標(biāo)記，這意味著可以單獨(dú)鑒定來自每個(gè)細(xì)胞的RNA序列。

與之前需要將細(xì)胞分離到塑料板上的96個(gè)單獨(dú)孔中的技術(shù)相比，它更快，更便宜，這對(duì)于構(gòu)建人類細(xì)胞圖譜是必不可少的。然而，對(duì)40萬億個(gè)細(xì)胞進(jìn)行此操作將產(chǎn)生驚人的數(shù)據(jù)量，需要來自世界各地的許多不同學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，但科學(xué)家們已經(jīng)看到了它可能產(chǎn)生的結(jié)果。

以色列雷霍沃特魏茲曼科學(xué)研究所的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和生物學(xué)家埃胡德夏皮羅教授說：“人類細(xì)胞圖譜1.0正在試圖繪制人體內(nèi)所有細(xì)胞類型。“一旦實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們的想法是研究細(xì)胞譜系的問題，以便隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生一種人類細(xì)胞發(fā)育的4-D圖譜。”

細(xì)胞史

第一個(gè)具有細(xì)胞歷史圖譜的多細(xì)胞生物體是一種微小的1毫米長(zhǎng)的線蟲，叫做秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)。該蠕蟲在完全成長(zhǎng)后僅由1 000個(gè)細(xì)胞組成，當(dāng)它從細(xì)胞成熟到成年時(shí)被拍攝，使科學(xué)家能夠跟蹤其發(fā)育。

由于難以以這種方式跟蹤細(xì)胞，因此任何較大的生物體都沒有重復(fù)這一壯舉。但是夏皮羅教授和他的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)技術(shù)，使他們能夠利用基因組中稱為微衛(wèi)星的微小錯(cuò)誤來重建人體細(xì)胞的譜系。它們由相同代碼的長(zhǎng)重復(fù)組成，當(dāng)細(xì)胞分裂和復(fù)制時(shí)DNA被復(fù)制時(shí)會(huì)出錯(cuò)。

Shapiro教授和他的同事計(jì)算出，如果他們可以追蹤DNA中的一百萬個(gè)錯(cuò)誤，他們就可以重建一個(gè)細(xì)胞的家譜。但到目前為止，只能檢查每個(gè)細(xì)胞中的幾百個(gè)微衛(wèi)星錯(cuò)誤。然而，夏皮羅教授正在開發(fā)新技術(shù)，一次看幾千甚至幾萬。

在由歐盟歐洲研究委員會(huì)資助的名為L(zhǎng)ineageDiscovery的項(xiàng)目中，他現(xiàn)在致力于一種稱為掛鎖或分子反轉(zhuǎn)的先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)使用開環(huán)形狀的遺傳探針來靶向潛在的錯(cuò)誤位點(diǎn)。“到目前為止，我們可以同時(shí)使用12 000個(gè)掛鎖探針，我們現(xiàn)在正致力于使用50 000個(gè)探針，”夏皮羅教授解釋說。“這使得一百萬個(gè)探測(cè)器看起來并不那么遙遠(yuǎn)。”

如果成功，以這種方式解鎖人類細(xì)胞譜系樹可以回答一些困擾生物學(xué)家的基本問題。例如，它可以幫助揭示為什么一些癌癥擴(kuò)散到身體的新區(qū)域。“它們是來自一個(gè)逃逸到血液中的癌細(xì)胞，還是原發(fā)腫瘤不斷滲漏，有數(shù)千或數(shù)百萬個(gè)細(xì)胞獨(dú)立產(chǎn)生轉(zhuǎn)移?Shapiro教授說，我們距離一個(gè)明確的答案還很遠(yuǎn)。

類似地，有許多關(guān)于人類發(fā)展的問題也可以回答，例如身體組織在成年期可以再生。但在Mazutis博士認(rèn)為，在這些問題得到解決之前，科學(xué)家必須克服一些障礙。“我們不知道一個(gè)人的人類細(xì)胞圖譜與另一個(gè)人的細(xì)胞圖譜有多么不同。他說，這一切都意味著建立人類細(xì)胞圖譜將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。