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我们能确定人体的每种细胞吗?

我们人体有多少种细胞?教科书上说有几百种,但真正的数目无疑比这个大很多。目前,包括Road研究所的Aviv Regev在内的实验室得出了一种新的、更加详细的分类目录。这些实验室利用单细胞基因组学的最新进展,以之前完全不可能想象的速度和规模对个体细胞进行了研究和分类。

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Road研究所使用的这种技术是利用流体系统在微观传送带(microscopic conveyor belts,编者译)上将细胞分离并对其进行详细的遗传分析,速度达数千每天。科学家们希望这种技术能在医学应用上有帮助,在医学领域上,细胞之间微小的差异都能产出重大影响,包括以细胞为基础的药物筛选、干细胞的研究、癌症的治疗以及基本的组织发展研究等。


Regev说她一直致力于用新的方法将小鼠视网膜和人体大脑肿瘤的细胞进行分类,而且她找到了从未发现过的细胞类型。她说:“我们真的不知道自己是由什么组成的”。


其他实验室也竞相发布他们的研究结果,并进一步提高自己的技术。目前,由Stephen Quake(Stanford University)领导的团队发布了他们研究的466个脑细胞,并称之为走向人类大脑细胞综合图谱的“第一步”。


科学家说这种研究最近才成为可能。Karolinska研究所(Stockholm, Sweden)的单细胞生物学家Sten Linnarsson说:“几年前,我们面临的挑战是从单细胞中获取任何有用的数据”。今年3月份,Linnarsson团队利用新技术从老鼠的大脑中绘制几千个细胞,并识别了47种,包括一些从未见过的亚型。


在历史上,研究单细胞的最好途径就是通过显微镜观察。在癌症医院,病理学家如何判断细胞是否癌变?他们根据一些90年代早期书籍的介绍,将细胞进行染色,再通过细胞的位置和外观形态来判断。美国国立卫生研究所研究官员Richard Conroy说:“目前的方法可以区分大约300种细胞”。


新技术的原理是通过编目细胞内信使RNA分子。这些信息是细胞核发出的用来制造蛋白质的遗传物质。Linnarsson的方法是将一个独特的分子条形码附加到每个细胞的每个RNA分子上,从而产生一个基因表达谱,生成一个细胞的指纹图谱。图谱可以反映细胞内的分子活性,而不是它长得像什么。


“以前,细胞通过一或者两个标记被确定”,Linnarsson说,“现在我们可以说出这些细胞中完整的基因表达是什么”。


虽然几年前研究人员确定了如何从单细胞中准确地将RNA分子排序,只是最近化学与微流体上的创新带来了爆炸性的数据。今年加州的一家细胞研究公司表明,该公司可以将细胞排列成micro-wells(细胞在电厂中分离和生长),同时可以测量3000个独立细胞的RNA,花费仅为每个细胞几个便士。


科学家认为新的单细胞方法可能会颠覆以前的研究发现。这是因为以前的基因表达研究是基于组织样本或血液标本,这些包含了成千甚至上万的细胞。“研究这种混合物意味着研究人员观察的是平均值”,Broad研究所的负责人Eric Lander说。


“在过去的18个月,单基因组学的时代以一个难以置信的方式到来”,今年Lander 在美国国立卫生研究院告诉一位观众说。


人类基因组计划的领导者之一Lander说,是时候将试验项目(如Regev引领的项目)转变成一个广泛致力于创建明确图谱的研究——通过基因活性以及从胚胎期到成年期追踪细胞来编目人类所有细胞类型。


“在有更多的研究之前宣布该类研究是国家或者国际项目有点过早,但我认为这是迟早的事”, Lander在一次电话采访中说道,“我认为在两年内我们将会达到一个没有这些信息将会发疯的境地。可以说,如果我们有一个细胞周期表,就可以找出任何给定样本的原子组成。”


基因图谱最终将会与其他成果结合来研究单个细胞。微软创始人Paul Allen说去年12月份他花了1亿美元来创建新的科学研究所,名为Allen细胞科学研究所。致力于干细胞的研究以及在显微镜下录制它们发展成为各种类型细胞的行为过程,其最终目标是创建一个巨大的动画模型。这个研究的领导者Rick Horwitz说,它将作为一种探索细胞生命周期的谷歌地图服务人类。


收集这些数据的最终目的不只是编目细胞类型,而是更加深入地了解细胞是如何一起工作。斯坦福大学的免疫学家Garry Nolan说,“单细胞方法是理解更大系统的必经之道”,他说,“在50年内,我们有可能动态测量细胞中的每个分子”。


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