人类干细胞|打开人类胚胎发育“黑匣子”
采访人员 崔雪芹
9月8日，大型国际合作项目人类发育细胞图谱计划（HDCA计划），在《自然》发表题为《人类发育细胞图谱路线图》的评论文章 。文章指出，作为人类细胞图谱（HCA）计划的重要战略，HDCA计划旨在构建一个完整的人类发育（从受精卵到出生时完全成形的胎儿）过程中细胞基因时空表达的精细参考图谱，建立全息人类胚胎发育信息网络 。文章提供了一个构建人类发育细胞图谱的路线图 。
一年前，全球首张人类细胞图谱在浙江大学绘制成功 。文章作者之一的浙江大学医学院教授郭国骥表示，HCA计划旨在全面解码人体所有细胞（约37万亿个）的类型、数目、位置、相互关联与分子组成等，揭示图谱变化与健康和疾病的关系 。与HCA计划一样，HDCA计划将获得基因组、转录组、蛋白组等多种数据类型，实现人类胚胎发育时空表达的细胞可视化，为全世界科学家提供免费共享的基础科学资源数据库 。
跨技术、跨学科
目前现代发育生物学的研究大多集中在模式生物上，由于实际挑战，人类的胚胎发育仍然是一个知之甚少的“黑匣子” 。人类发育细胞图谱的构建对于理解正常的器官发生，突变、环境和传染性疾病对人类发育的影响，先天性疾病，以及衰老、癌症和再生医学的基础研究至关重要 。例如，许多先天性疾病和儿童癌症起源于易感的发育窗口，人类胚胎的发育轨迹图也可为人类干细胞模型、类器官和细胞疗法提供重要的参考和指导 。
人类发育的早期研究起始于胚胎的形态测量和定性评估，并依此构建了卡内基分期 。成像、细胞计数和基因组学技术的进步为人们了解器官发生过程中复杂的时空变化提供线索 。“近些年，单细胞分析技术以前所未有的分辨率提升了我们研究人类发育的能力 。”郭国骥说 。
利用这些最新技术以单细胞的分辨率构建人类发育的综合参考图谱是一项雄心勃勃的计划，其规模与人类基因组计划相似 。郭国骥告诉《中国科学报》，HDCA计划同样需要来自全球各类研究机构的参与，以及多学科专家共同协作 。
此外，HDCA计划将采用人类基因组计划发起的大型科学项目的资助、实施、协调和共享方式，以及基于HCA计划的伦理委员会和“生物网络” 。郭国骥表示，这种组织框架能使发育生物学、胚胎学、遗传学和模型系统、计算生物学、临床遗传学等领域的研究人员形成跨技术和跨学科的大规模协调合作 。
【人类干细胞|打开人类胚胎发育“黑匣子”】构建三维发育细胞图
人类胚胎发育的整个过程是由三维空间和时间共同调控的 。目前，科学家无法在体内以高分辨率轻松评估人类胚胎发生，时序性研究又仅限于体外的植入前胚胎，这些问题将是成功构建人类发育细胞图谱面临的挑战 。
郭国骥表示，HDCA计划在实验技术、计算分析和可视化算法等领域面临巨大的科学挑战，特别是妊娠期前8周胚胎瞬时形态变化的捕捉 。该计划的一项主要工作就是开发相关算法框架，以捕捉胚胎细胞和形态变化的整个发育过程 。
目前，细胞类型的定义主要参考模式生物和成体细胞图谱，但这些分析对于发育和分化过渡期间存在的瞬态细胞类型不一定适用 。基于RNA、染色质可及性、甲基化或特定蛋白质的单细胞分子图谱对细胞类型和状态的定义更细致入微 。
“为了克服这些挑战，我们需要分析许多时间点，并且需要随着时间推移将定义的细胞状态映射回三维空间并进行功能表征 。”郭国骥表示，对于构建完整的人类发育细胞图谱，高水平的多组学技术可以反映细胞分子概况、形态功能和其他特征的多方面状态 。例如，转录组反映了细胞的现在和潜在的未来；蛋白质表达捕捉细胞的过去和现在；染色质图谱揭示了其不变的类型和未来分化的潜力，等等 。
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