把雞胚胎里形成前肢的細胞團切下，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?。然而，包括人在?nèi)，大多數(shù)哺乳動物卻在進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)育單細胞時空圖譜，解析了胎兒四肢的細胞演變路徑和細胞空間位置決定過程。

　　該成果為進一步研究肢體發(fā)育的詳細調(diào)節(jié)機制、肢體發(fā)育異常的細胞生理機制，乃至更廣泛的發(fā)育和再生過程中細胞命運調(diào)節(jié)機制和空間位置建成機制提供了重要參考。

　　在這項研究中，張宏波團隊與合作者試圖回答兩個關(guān)鍵問題：肢體細胞的發(fā)展是如何決定的？例如，為何原本一樣的細胞，有的后來變成了纖維細胞，有的成為骨骼的一部分？細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10萬個細胞，每個細胞約2000個基因，通過計算分析，團隊率先構(gòu)建起精細的、包含所有細胞類型的人類四肢發(fā)育單細胞圖譜。

　　通過團隊自主研發(fā)的單細胞數(shù)據(jù)分析工具——DEAPLOG，他們還能夠更好地找到每一個細胞的特征，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)?！闭撐墓餐谝蛔髡摺埡瓴▓F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、雞等模式動物上進行實驗。一系列肢體形成的基本問題，如近遠軸的幾個關(guān)鍵決定基因、前后軸的基本細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)育詳細的細胞演變路徑、決定細胞命運的關(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胞的發(fā)育路徑，比如肌肉細胞、骨細胞的命運，頂多同時追蹤兩到三種細胞，無法看到所有細胞的命運是如何演化的。而對于細胞的空間位置決定，科學(xué)家通過對胚胎做切片，然后進行單一或少數(shù)細胞染色，了解到的基因數(shù)量十分有限。

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

　　演化的過程如何調(diào)控？張宏波認為，這依賴于細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胞團形狀凸起出現(xiàn)在身體的兩側(cè)，但到了第八周，這一細胞團則已經(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，團隊利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)精確定位已知類型細胞在肢體中的確切位置，以及隨著發(fā)育時間變化細胞位置的變化規(guī)律。論文共同第一作者、張宏波團隊博士后張寶介紹，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)生的細胞類型，鑒定到全新的細胞類型，并且可以刻畫不同種類細胞激活的關(guān)鍵基因。

　　“當(dāng)這些基因的表達不遵循既定模式，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(手指或腳趾短)和多指(多余的手指或腳趾)等發(fā)育異常的現(xiàn)象?！睆垖氄f。

　　再生醫(yī)學(xué)更多應(yīng)用未來可期

　　“我們關(guān)注的是細胞命運的兩極，也就是發(fā)育和衰老，現(xiàn)正在慢慢打通中間的環(huán)節(jié)?！睆埡瓴ㄍ嘎?，團隊同時在開展關(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，但對細胞命運決定的深入理解，將使其未來應(yīng)用成為可能。例如，間充質(zhì)干細胞和成纖維細胞因其具有變成多種細胞的能力，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，這包括防止細胞的過度增生、病變等。

　　“要實現(xiàn)更多的應(yīng)用，就要對細胞發(fā)育、生長有更多的認識。認識得越多，就越可控?！睆埡瓴ㄕf。

　　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(Sarah Teichmann課題組博士后)、John Lawrence(Sarah Teichmann課題組博士生)、王帥玉為該論文共同第一作者。

　　中青報·中青網(wǎng)記者 林潔 通訊員 朱嘉豪 李建平 來源：中國青年報