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，包括人在內，大多?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，中山大學中山醫(yī)學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，尋找到關鍵基因，并在此基礎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，肢體建成的時空調節(jié)機制是一個經典的發(fā)育生物學難題。發(fā)育與再生本質上具有相似性，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生顯著的下游效應?！闭撐墓餐谝蛔髡?、張宏波團隊博士后王帥玉發(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。

　　單細胞技術為揭秘創(chuàng)造可能

　　長期以來，科學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，如近遠軸的幾個關鍵決定基因、前后軸的基本細胞定位和信號通路等已經得到初步闡釋。然而，囿于技術和倫理限制，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)學實踐亦長期存疑。

　　以往，科學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。

　　而單細胞轉錄組技術和單細胞空間轉錄組技術的發(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。他說，在發(fā)育過程中，人類四肢的形成并非一蹴而就，而是經歷過復雜的細胞演變過程。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，但到了第八周，這一細胞團則已經完全分化，形成具有復雜解剖結構的四肢，并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鍵基因。

　　“當這些基因的表達不遵循既定模式，而又行使關鍵調控作用時，就可能導致特殊的發(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)學更多應用未來可期

　　“我們關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，該研究的相關技術在醫(yī)學領域的直接應用仍然較少，但對細胞命運決定的深入理解，將使其未來應用成為可能。例如，間充質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，但現(xiàn)階段廣泛的臨床醫(yī)學應用則面臨許多風險，這包括防止細胞的過度增生、病變等。

　　“要實現(xiàn)更多的應用，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·中青網記者 林潔 通訊員 朱嘉豪 李建平 來源：中國青年報