把雞胚胎裏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次之後，依然能長出新的腿，且幾乎看不出傷(shang) 痕。然而，包括人在內(nei) ，大多數哺乳動物卻在進化過程中喪(sang) 失了這種成年後再生能力。

　　近日，中山大學中山醫學院教授張宏波課題組在英國《自然》雜誌發表論文，發布了首個(ge) 人類肢體(ti) 發育單細胞時空圖譜，解析了胎兒(er) 四肢的細胞演變路徑和細胞空間位置決(jue) 定過程。

　　該成果為(wei) 進一步研究肢體(ti) 發育的詳細調節機製、肢體(ti) 發育異常的細胞生理機製，乃至更廣泛的發育和再生過程中細胞命運調節機製和空間位置建成機製提供了重要參考。

　　在這項研究中，張宏波團隊與(yu) 合作者試圖回答兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵問題：肢體(ti) 細胞的發展是如何決(jue) 定的？例如，為(wei) 何原本一樣的細胞，有的後來變成了纖維細胞，有的成為(wei) 骨骼的一部分？細胞的空間位置又是如何決(jue) 定的？例如，一隻正常發育的手為(wei) 什麽(me) 是5根手指，為(wei) 什麽(me) 大拇指的方向跟其他4根手指不一樣？

　　探秘生命科學底層問題

　　張宏波團隊從(cong) 第五周初到第九周胚胎連續取樣，獲得超過10萬(wan) 個(ge) 細胞，每個(ge) 細胞約2000個(ge) 基因，通過計算分析，團隊率先構建起精細的、包含所有細胞類型的人類四肢發育單細胞圖譜。

　　通過團隊自主研發的單細胞數據分析工具——DEAPLOG，他們(men) 還能夠更好地找到每一個(ge) 細胞的特征，尋找到關(guan) 鍵基因，並在此基礎上將這些基因錨定到細胞演變的路徑上。

　　為(wei) 什麽(me) 人的四肢切除後就不能再生長？在張宏波看來，肢體(ti) 建成的時空調節機製是一個(ge) 經典的發育生物學難題。發育與(yu) 再生本質上具有相似性，如果能夠加深對發育的理解，就可能對四肢的再生建構起本質上的前提和基礎。

　　“對這一過程的任何微小擾動都可能產(chan) 生顯著的下遊效應。”論文共同第一作者、張宏波團隊博士後王帥玉發現，四肢發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(er) 即可發現一例。

　　單細胞技術為(wei) 揭秘創造可能

　　長期以來，科學家在研究這個(ge) 問題時，會(hui) 在小鼠、雞等模式動物上進行實驗。一係列肢體(ti) 形成的基本問題，如近遠軸的幾個(ge) 關(guan) 鍵決(jue) 定基因、前後軸的基本細胞定位和信號通路等已經得到初步闡釋。然而，囿於(yu) 技術和倫(lun) 理限製，人類肢體(ti) 發育詳細的細胞演變路徑、決(jue) 定細胞命運的關(guan) 鍵基因與(yu) 疾病的聯係等尚未研究。更重要的是，模式動物中發現的肢體(ti) 形成機製與(yu) 人類有多大的相似性，以及有多大程度可以用於(yu) 人類再生醫學實踐亦長期存疑。

　　以往，科學家隻能追蹤某一種細胞的發育路徑，比如肌肉細胞、骨細胞的命運，頂多同時追蹤兩(liang) 到三種細胞，無法看到所有細胞的命運是如何演化的。而對於(yu) 細胞的空間位置決(jue) 定，科學家通過對胚胎做切片，然後進行單一或少數細胞染色，了解到的基因數量十分有限。

　　而單細胞轉錄組技術和單細胞空間轉錄組技術的發展，使得探秘細胞演化過程成為(wei) 可能。

　　演化的過程如何調控？張宏波認為(wei) ，這依賴於(yu) 細胞之間非常迅速而精確的協調。他說，在發育過程中，人類四肢的形成並非一蹴而就，而是經曆過複雜的細胞演變過程。在胚胎發育第四周末，四肢僅(jin) 以簡單的幾乎均一細胞團形狀凸起出現在身體(ti) 的兩(liang) 側(ce) ，但到了第八周，這一細胞團則已經完全分化，形成具有複雜解剖結構的四肢，並形成完整的手指和腳趾。

　　在此基礎上，團隊利用空間轉錄組學技術精確定位已知類型細胞在肢體(ti) 中的確切位置，以及隨著發育時間變化細胞位置的變化規律。論文共同第一作者、張宏波團隊博士後張寶介紹，利用這一圖譜，他們(men) 能夠直觀地追蹤特定時間和區域產(chan) 生的細胞類型，鑒定到全新的細胞類型，並且可以刻畫不同種類細胞激活的關(guan) 鍵基因。

　　“當這些基因的表達不遵循既定模式，而又行使關(guan) 鍵調控作用時，就可能導致特殊的發育表型，比如短指(手指或腳趾短)和多指(多餘(yu) 的手指或腳趾)等發育異常的現象。”張寶說。

　　再生醫學更多應用未來可期

　　“我們(men) 關(guan) 注的是細胞命運的兩(liang) 極，也就是發育和衰老，現正在慢慢打通中間的環節。”張宏波透露，團隊同時在開展關(guan) 於(yu) 人體(ti) 肌肉衰老的研究，探究肌肉裏麵存在哪些細胞類型，又是如何相互作用造成肌肉衰老的。

　　目前，該研究的相關(guan) 技術在醫學領域的直接應用仍然較少，但對細胞命運決(jue) 定的深入理解，將使其未來應用成為(wei) 可能。例如，間充質幹細胞和成纖維細胞因其具有變成多種細胞的能力，在人體(ti) 組織損傷(shang) 後會(hui) 自發用於(yu) 組織修複，但現階段廣泛的臨(lin) 床醫學應用則麵臨(lin) 許多風險，這包括防止細胞的過度增生、病變等。

　　“要實現更多的應用，就要對細胞發育、生長有更多的認識。認識得越多，就越可控。”張宏波說。

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

　　中青報·中青網記者 林潔 通訊員 朱嘉豪 李建平 來源：中國青年報