从单细胞窥探生命奥秘 新技术揭开人类细胞生长发育之谜

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从器官中提取27576个血管内皮细胞所获得的UMAP可视化图

生命的产生是一个神奇的过程，要经历受精卵分裂、胚胎发育和胎儿生长。其间，伴随着全身器官的发育和成熟，以及成百上千种细胞的扩增和分化，这决定了生物体的后期功能。

美国洛克菲勒大学助理教授曹俊越的工作拓展了探索生命这一奥秘的途径。他因为研发出高通量单细胞测序技术以及在发育生物学方面取得的成就，被《科学》和SciLifeLab授予2020年度青年科学家奖特等奖，全球唯一得主。利用他们的高通量单细胞测序技术可以创造两个细胞的图谱，为追踪人类细胞类型和组织发育过程中的基因表达和染色效应提供了新的窗口。

单细胞测序技术，尤其是单细胞转录组测序技术，通过同时检测单细胞几万种基因的表达，精确定义了细胞的分子学状态，从而被广泛应用于检测新的细胞种类，以及研究发育和疾病对细胞状态的影响。但传统的单细胞测序技术只能检测几千个细胞，远远低于人体组织所包含的百万级细胞数。

如何全面检测人体组织中的细胞种类及其变化？曹俊越在华盛顿大学Jay Shendure实验室4年读博期间，先后研发出了高通量单细胞转录组测序技术（sci-RNA-seq）等4项高通量单细胞测序技术。

首先是sci-RNA-seq。这是基于组合标记的不依赖于细胞分离的单细胞基因表达检测技术，可以检测超过5万个线虫单细胞的转录组测序，从而构建出了生物个体水平的单细胞转录组图谱。他们发现这种高通量单细胞检测还能够监测到各种罕见的神经细胞种类。虽然是线虫样本，但为构建其他生物物种的细胞转录组图谱提供了模板。

另一项高通量单细胞测序技术：sci-RNA-seq3。该技术可以同时检测几百万个单细胞转录图谱，而且这项技术不依赖于特殊的仪器设备，适合一般的研究机构应用。研究人员应用sci-RNA-seq3首先对小鼠主要器官的发育阶段（胚胎期9.5天至13.5天）进行高精度单细胞水平的系统性研究，一共检测到200万个单细胞组成的500多个细胞种类，并系统性绘制了形成各种器官的细胞分化路径以及每个路径中几万种基因的表达变化。

再一项是高通量单细胞双图谱测序技术sci-CAR。sci-CAR能同时检测上万个单细胞的转录组和染色质可及性数据。利用检测获得的数据，他们成功构建了首个哺乳动物器官水平（肾脏）的单细胞双图谱。

第四项是sci-fate技术。以往的单细胞测序技术局限于描述细胞的静态，而延时显微镜虽然可以通过实验测量细胞的动态转变，却仅限于研究培养皿中少数细胞的标记基因，不足以解释许多生物系统的复杂性。曹俊越发明的sci-fate技术可以研究大量单细胞在转录组水平的基因表达动态。该项技术通过结合sci-RNA-seq和4-硫尿苷（4sU）标记新生mRNA技术，能大规模分析几千到几百万个单细胞转录组。

基因表达是细胞使用储存在DNA中的指令指导蛋白质合成的过程。而这些蛋白质又决定了细胞的结构和功能。基因表达图谱绘制了不同类型细胞生长发育过程中发生基因表达的时间和地点。研究人员使用sci-RNA-seq3技术，对15种胎儿组织的基因表达进行了分析。通过分析400多万个单细胞，确定了77种主要细胞类型和大约650个细胞亚型，从中还发现了一些新的细胞种类。

他们将人类胎儿单细胞图谱和小鼠胚胎细胞图谱整合在一起，构建了细胞和基因从胚胎到胎儿发育的动态轨迹。他们还针对DNA的染色质效应绘制了DNA的可及性图谱。有一种名为染色质的物质允许DNA紧密地排列在细胞核内。