Nature論述：單細胞基因組學揭開“免疫新世界”

　　人類對生命的好奇，從來沒有減退。一個多世紀以來，科學家們一直試圖解析構成我們機體的成千上萬億個細胞，從一米長的神經元到8微米寬的紅細胞。他們希望從中找到解析重要生理、病理過程，挖掘重要的細胞類型和信號通路。

　　但是，過去幾十年，包括熒光抗體標記技術、DNA和RNA測序技術等在內的研究工具卻不能解析細胞的多樣性和功能的復雜性，這與很多功能截然不同的細胞形狀卻類似或者攜帶有相同的標記蛋白有部分關系。

　　現在，單細胞基因組學正改變著這一局限，這一新技術的出現讓科學家們由能力捕獲單個細胞并明確其基因組信息。過去5年，已有不少研究團隊能夠對成千上萬的細胞進行單細胞測序，這有助于更多信號通路的挖掘。

　　7月3日，以色列魏茨曼科學研究所的免疫學教授Amir Giladi及其研究生Amir Giladi在《Naure》發表一篇題為“Immunology, one cell at a time”論述，圍繞單細胞基因組學對免疫學研究的積極影響和推進展開討論。

　　Amir Giladi教授強調，單細胞基因組學的應用需要科學家和臨床醫生進行試驗和分析調整。特別是，它常常會揭開與最初對細胞形態、功能推測完全相悖或者差距很大的結果。我們需要重構知識體系。

　　免疫系統重要且復雜

　　免疫細胞在血液和淋巴組織中“巡邏”，肩負著很多職責。它們保護機體免于病原體和癌癥的攻擊、參與新陳代謝及組織器官的生成。從新生到凋亡，它們幾乎參與了所有調控身體內部環境的生理活動。所以，一旦免疫系統出現障礙，它會引發很多問題和隱患。例如，過于活躍的免疫系統會攻擊健康細胞，從而導致自身免疫性疾病，例如Ⅰ型糖尿病、多發性硬化癥、系統性紅斑狼瘡等。

　　當下，免疫療法越發火熱。利用免疫系統實現治療目的的首要一步是解析布局在特定區域的免疫細胞（例如腫瘤周圍），隨后需要了解免疫細胞參與的特定過程和通路，以及其中基因表達圖譜、細胞與微環境的互作藍圖。

　　過去40年，基于遺傳標簽的方法，我們已經確定幾十種不同類型的免疫細胞。例如，利用熒光抗體標記技術確定T細胞、B細胞、單核細胞和粒細胞。這些研究為免疫療法奠定下很好的基礎。

　　然而，越來越多的技術表明，免疫系統遠比我們想象得要復雜。它們會依據環境改變自己的功能。例如，腸道中巨噬細胞的功能不同于大腦中的巨噬細胞。此外，分子標記不能完整解析免疫細胞的功能多樣性。

　　簡而言之，傳統的方法不足以解析復雜的免疫世界。

　　單細胞基因組學揭開免疫新世界

　　借助單細胞RNA測序技術的發展，科學家們能夠解讀成千上萬的細胞。

　　過去5年，捕獲單個細胞的技術明顯提高。同時，生物信息學能夠基于不同算法構建多維數據，用于展現細胞的不同狀態以及不同狀態之間的轉變。

　　得益于這些發展，科學家們能夠捕獲數十萬（甚至于數百萬）個細胞，且精準測量每個細胞的DNA、RNA或者蛋白質信息。伴隨著基因編輯技術的更新，許多基因的功能被證實。

　　現在，科研人員能夠同時記錄多種細胞的不同功能狀態，能夠追溯單個細胞的“祖先”或者確定某個細胞的DNA突變以及追蹤細胞之間的交流信息。換句話說，單細胞基因組學讓研究人員能夠對整個組織構建一個精確藍圖，包括特定的器官、腫瘤或者多個細胞參與的某個生理過程。

　　全世界約有20個實驗室掌握單細胞基因組學技術，其余還有很多團隊正在學習和應用該技術。在過去數年中，很多揭示免疫系統新功能的研究論文發表。

　　上個月，Amir Giladi團隊在大腦中發現一種新型免疫細胞——disease-associated microglia（DAM）。他們證實，DAM細胞負責降解死亡的細胞以及與阿爾茲海默癥相關聯的蛋白病斑。

　　Amir Giladi教授強調，只有對單個細胞進行RNA測序才能發現罕見的小膠質細胞，從而為治療包括阿爾茲海默癥等在內的神經類疾病提供新方法。

　　研究Tips

　　當然，單細胞基因組學現在依然處于初期。但是，Amir Giladi教授團隊認為我們已經累計了一定的經驗教訓，具體如下：

　　第一、很多免疫細胞（T細胞、單核細胞等）存在很大的異質性。研究人員必須擴大研究范圍，盡量收集特定區域中的所有免疫細胞，且需要盡可能純化樣本。

　　第二、研究成功與否與操作人員對細胞、組織初始結構的保護程度有一定關聯。需要將細胞應激或者死亡的概率降至最低，從而保證組織不會偏向特定的細胞類型。

　　第三、生物信息學需要開發可擴展且強大的算法，以便囊括更多的細胞，分析多個生物學階段的基因表達情況。

　　第四、研究人員找到樣本中所有免疫細胞之后，需要發現它們的分子標記，便于更深層次的挖掘免疫細胞。數億萬億計的細胞、無數的分子特征和功能構成了器官組織，這些細胞的狀態和類型可能存在千差萬別。例如，在健康小鼠大腦中，Amir Giladi團隊最新發現的DAM細胞僅僅只占了0.01%的比例。重要的是，一旦利用單細胞基因組學發現一種罕見細胞后，需要純化并專門研究它們。Amir Giladi團隊使用細胞表面標記分離出DAM細胞，并明確其在阿爾茲海默癥中的作用。

　　第五、教科書有關細胞身份的定義和固有觀點，將幾乎都需要重新考慮。基于額外的分子標記可以在短期內分類細胞亞型，但是并不是長久之計。例如，輔助T細胞分為Th1、Th2、Th3等多個類別。這一分類方法可能會持續忽視免疫生態的復雜性。一個更可信的解決方法是基于基因表達圖譜進行分類。

　　通過分析免疫細胞的DNA、RNA和蛋白質數據，生物學家能夠針對組織或者腫瘤構建一個更精確的多細胞信息藍圖。

　　單細胞基因組將很快的應用于免疫學的基礎和應用研究。這得益于技術的更新和標準化、學府、企業和醫院的交流合作。Amir Giladi團隊預測，未來10年內，血液樣本或者活檢組織都可以進行單細胞基因組分析，患者的整個免疫系統可以被分析并實現健康、患病不同狀態下的比較。

　　也許，我們會對腫瘤、腫瘤干細胞、神經元發育等過程產生一個快速轉變的認知。但是，單個細胞如何溝通等未知依然存在，這也是我們接下來的探索目標。