探秘人类四肢发育路径，中大科研团队发布首个人类肢体发育单细胞时空图谱

从受精卵到完整的人体，我们的四肢是如何发育的？科学家利用单细胞技术找到了一些线索。

近日，中山大学中山医学院张宏波教授课题组在《自然》杂志（Nature）发表论文，发布了首个人类肢体发育单细胞时空图谱，解析了胎儿四肢的细胞演变路径和细胞空间位置决定过程。

该研究为进一步研究肢体发育的详细调节机制、肢体发育异常的细胞生理机制，乃至更广泛的发育和再生过程中细胞命运调节机制和空间位置建成机制提供了重要参考。

探本溯源，探秘生命科学底层问题

肢体建成的时空调节机制是一个经典的发育生物学难题。中山大学中山医学院张宏波教授举例说明：" 把鸡胚胎里形成前肢的细胞团切下，移植到背部，竟然能够长出完整的翅膀。去除成年蝾螈的腿，它能够很快再生，即使在切除 8 次到 10 次之后，却依然能长出新的腿，且几乎看不出伤痕。然而，包括人在内，大多数哺乳动物却在进化过程中丧失了这种成年后再生能力。"

演化的过程如何调控？为什么人的四肢切除后就不能再生长？发育与再生本质上具有相似性，如果能够加深对发育的理解，就可能对四肢的再生建构起本质上的前提和基础。

在这项研究中，张宏波教授团队与合作者试图回答两个关键问题：肢体细胞的发展是如何决定？比如，为何原本一样的细胞，有的后来变成了纤维细胞，有的成为骨骼的一部分？细胞的空间位置如何决定？比如，一只正常发育的手为什么是五根手指，为什么大拇指的方向跟其它四根手指不一样？

" 对这一过程的任何微小扰动都可能产生显著的下游效应。" 论文共同第一作者、张宏波团队博士后王帅玉说，" 四肢发育异常是全球报告最多的出生综合征之一，全球大约每 500 个新生儿即可发现一例。"

长期以来，科学家在研究这个问题时，会在小鼠、鸡等模式动物上进行实验。一系列肢体形成的基本问题，如近远轴的几个关键决定基因、前后轴的基本细胞定位和信号通路等已经得到初步阐释。然而囿于技术和伦理限制，人类肢体发育详细的细胞演变路径、决定细胞命运的关键基因与疾病的联系等尚未有研究。更重要的是，模式动物中发现的肢体形成机制与人类有多大的相似性，以及有多大程度可以用于人类再生医学实践亦长期存疑。

技术进步，单细胞技术为揭秘创造可能

在细胞命运决定这个问题上，过去，科学家往往只能追踪某一种细胞的发育路径，比如肌肉细胞、骨细胞的命运，顶多同时追踪两到三种细胞，无法看到所有细胞的命运是如何演化的。而对于细胞的空间位置决定，科学家通过对胚胎做切片，然后进行单一或少数细胞染色，了解到的基因数量十分有限。

而单细胞转录组技术和单细胞空间转录组技术的发展，使得探秘细胞演化过程成为了可能。

张宏波教授从第五周初到第九周胚胎连续取样，获得超过 10 万个细胞，每个细胞约 2000 个基因，通过计算分析，团队率先构建起精细的、包含所有细胞类型的人类四肢发育单细胞图谱。通过团队自主研发的单细胞数据分析工具—— DEAPLOG，他们还能够更好地找到每一个细胞的特征，寻找到关键基因，并在此基础上将这些基因锚定到细胞演变的路径上。有了这些信息，团队就能够进一步通过实验验证哪些基因导致了细胞命运的歧化。

在此基础上，团队利用空间转录组学技术精确定位已知类型细胞在肢体中的确切位置，以及随着发育时间变化细胞位置的变化规律。论文共同第一作者、张宏波团队博士后张宝介绍，利用这一图谱，我们能够直观地追踪特定时间和区域产生的细胞类型，鉴定到全新的细胞类型，并且可以刻画不同种类细胞激活的关键基因。" 当这些基因的表达不遵循既定模式，而又行使关键调控作用时，就可能导致特殊的发育表型，比如短指（手指或脚趾短）和多指（多余的手指或脚趾）等发育异常的现象。"

深入挖掘，期待再生医学领域的更多应用

论文在《自然》（Nature）杂志在线发布后，很多科学家看到了数据进一步分析的价值，纷纷联系张宏波教授团队。" 我们关注的是细胞命运的两极，也就是发育和衰老，现在在慢慢打通中间的环节。" 据张宏波教授介绍，团队同时在开展关于人体肌肉衰老的研究，探究肌肉里面存在哪些细胞类型，又是如何相互作用造成肌肉衰老的。

目前，该研究的相关技术在医学领域的直接应用仍然较少，但对细胞命运决定的深入理解将使其充分应用在未来成为可能。例如，间充质干细胞和成纤维细胞因其具有变成形成多种细胞的能力，在我们人体组织损伤后会自发用于组织修复，但现阶段广泛的临床医学应用则仍面临许多风险，这包括防止细胞的过度增生、病变等。" 要实现更多的应用，就要对我们细胞发育、生长有更多的认识。认识得越多，就越可控。" 张宏波教授说。

中山大学张宏波教授、英国 Sanger 研究所 Sarah Teichmann 教授为该论文共同通讯作者。张宝（张宏波课题组博士后），Peng He（Sarah Teichmann 课题组博士后）、John Lawrence（Sarah Teichmann 课题组博士生）、王帅玉（张宏波课题组博士后，现工作单位广州妇女儿童医疗中心）为该论文共同第一作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、英国 Wellcome Trust 等基金支持。

文丨记者 陈亮 通讯员 朱嘉豪 李建平

图丨通讯员供图