把雞胚胎里形成前肢的細(xì)胞團(tuán)切下，移植到背部，竟然能夠長出完整的翅膀；去除成年蠑螈的腿，它能夠很快再生，即使在切除8次到10次之后，依然能長出新的腿，且?guī)缀蹩床怀鰝邸Ｈ欢ㄈ嗽趦?nèi)，大多數(shù)哺乳動物卻在進(jìn)化過程中喪失了這種成年后再生能力。

近日，中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院教授張宏波課題組在英國《自然》雜志發(fā)表論文，發(fā)布了首個人類肢體發(fā)育單細(xì)胞時空圖譜，解析了胎兒四肢的細(xì)胞演變路徑和細(xì)胞空間位置決定過程。

該成果為進(jìn)一步研究肢體發(fā)育的詳細(xì)調(diào)節(jié)機(jī)制、肢體發(fā)育異常的細(xì)胞生理機(jī)制，乃至更廣泛的發(fā)育和再生過程中細(xì)胞命運(yùn)調(diào)節(jié)機(jī)制和空間位置建成機(jī)制提供了重要參考。

在這項研究中，張宏波團(tuán)隊與合作者試圖回答兩個關(guān)鍵問題:肢體細(xì)胞的發(fā)展是如何決定的？例如，為何原本一樣的細(xì)胞，有的后來變成了纖維細(xì)胞，有的成為骨骼的一部分？細(xì)胞的空間位置又是如何決定的？例如，一只正常發(fā)育的手為什么是5根手指，為什么大拇指的方向跟其他4根手指不一樣？

探秘生命科學(xué)底層問題

張宏波團(tuán)隊從第五周初到第九周胚胎連續(xù)取樣，獲得超過10萬個細(xì)胞，每個細(xì)胞約2000個基因，通過計算分析，團(tuán)隊率先構(gòu)建起精細(xì)的、包含所有細(xì)胞類型的人類四肢發(fā)育單細(xì)胞圖譜。

通過團(tuán)隊自主研發(fā)的單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析工具——DEAPLOG，他們還能夠更好地找到每一個細(xì)胞的特征，尋找到關(guān)鍵基因，并在此基礎(chǔ)上將這些基因錨定到細(xì)胞演變的路徑上。

為什么人的四肢切除后就不能再生長？在張宏波看來，肢體建成的時空調(diào)節(jié)機(jī)制是一個經(jīng)典的發(fā)育生物學(xué)難題。發(fā)育與再生本質(zhì)上具有相似性，如果能夠加深對發(fā)育的理解，就可能對四肢的再生建構(gòu)起本質(zhì)上的前提和基礎(chǔ)。

“對這一過程的任何微小擾動都可能產(chǎn)生顯著的下游效應(yīng)。”論文共同第一作者、張宏波團(tuán)隊博士后王帥玉發(fā)現(xiàn)，四肢發(fā)育異常是全球報告最多的出生綜合征之一，全球大約每500名新生兒即可發(fā)現(xiàn)一例。

單細(xì)胞技術(shù)為揭秘創(chuàng)造可能

長期以來，科學(xué)家在研究這個問題時，會在小鼠、雞等模式動物上進(jìn)行實驗。一系列肢體形成的基本問題，如近遠(yuǎn)軸的幾個關(guān)鍵決定基因、前后軸的基本細(xì)胞定位和信號通路等已經(jīng)得到初步闡釋。然而，囿于技術(shù)和倫理限制，人類肢體發(fā)育詳細(xì)的細(xì)胞演變路徑、決定細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵基因與疾病的聯(lián)系等尚未研究。更重要的是，模式動物中發(fā)現(xiàn)的肢體形成機(jī)制與人類有多大的相似性，以及有多大程度可以用于人類再生醫(yī)學(xué)實踐亦長期存疑。

以往，科學(xué)家只能追蹤某一種細(xì)胞的發(fā)育路徑，比如肌肉細(xì)胞、骨細(xì)胞的命運(yùn)，頂多同時追蹤兩到三種細(xì)胞，無法看到所有細(xì)胞的命運(yùn)是如何演化的。而對于細(xì)胞的空間位置決定，科學(xué)家通過對胚胎做切片，然后進(jìn)行單一或少數(shù)細(xì)胞染色，了解到的基因數(shù)量十分有限。

而單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)的發(fā)展，使得探秘細(xì)胞演化過程成為可能。

演化的過程如何調(diào)控？張宏波認(rèn)為，這依賴于細(xì)胞之間非常迅速而精確的協(xié)調(diào)。他說，在發(fā)育過程中，人類四肢的形成并非一蹴而就，而是經(jīng)歷過復(fù)雜的細(xì)胞演變過程。在胚胎發(fā)育第四周末，四肢僅以簡單的幾乎均一細(xì)胞團(tuán)形狀凸起出現(xiàn)在身體的兩側(cè)，但到了第八周，這一細(xì)胞團(tuán)則已經(jīng)完全分化，形成具有復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的四肢，并形成完整的手指和腳趾。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)精確定位已知類型細(xì)胞在肢體中的確切位置，以及隨著發(fā)育時間變化細(xì)胞位置的變化規(guī)律。論文共同第一作者、張宏波團(tuán)隊博士后張寶介紹，利用這一圖譜，他們能夠直觀地追蹤特定時間和區(qū)域產(chǎn)生的細(xì)胞類型，鑒定到全新的細(xì)胞類型，并且可以刻畫不同種類細(xì)胞激活的關(guān)鍵基因。

“當(dāng)這些基因的表達(dá)不遵循既定模式，而又行使關(guān)鍵調(diào)控作用時，就可能導(dǎo)致特殊的發(fā)育表型，比如短指和多指(多余的手指或腳趾)等發(fā)育異常的現(xiàn)象。”張寶說。

再生醫(yī)學(xué)更多應(yīng)用未來可期

“我們關(guān)注的是細(xì)胞命運(yùn)的兩極，也就是發(fā)育和衰老，現(xiàn)正在慢慢打通中間的環(huán)節(jié)。”張宏波透露，團(tuán)隊同時在開展關(guān)于人體肌肉衰老的研究，探究肌肉里面存在哪些細(xì)胞類型，又是如何相互作用造成肌肉衰老的。

目前，該研究的相關(guān)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的直接應(yīng)用仍然較少，但對細(xì)胞命運(yùn)決定的深入理解，將使其未來應(yīng)用成為可能。例如，間充質(zhì)干細(xì)胞和成纖維細(xì)胞因其具有變成多種細(xì)胞的能力，在人體組織損傷后會自發(fā)用于組織修復(fù)，但現(xiàn)階段廣泛的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用則面臨許多風(fēng)險，這包括防止細(xì)胞的過度增生、病變等。

“要實現(xiàn)更多的應(yīng)用，就要對細(xì)胞發(fā)育、生長有更多的認(rèn)識。認(rèn)識得越多，就越可控。”張宏波說。

據(jù)悉，中山大學(xué)張宏波教授、英國Sanger研究所Sarah Teichmann教授為該論文共同通訊作者。張寶、Peng He、John Lawrence(Sarah Teichmann課題組博士生)、王帥玉為該論文共同第一作者。