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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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“细胞图谱”揭开人体奥秘

2018-05-13 22:41:00

  我们人体究竟是由什么组成的?一个生物学方面的巨型项目将会就此作出回答。科学家正在建立一个描绘人体各种细胞类型的全目录——“细胞图谱”,即描述身体功能,即通过细胞内部的内容来定义活细胞。

  图谱工程浩大,难度不小,研究经费超出想象,需要全世界主要国家通力合作,而且可能至少花上5年时间才能完成。这是一个使用现代基因组学和细胞生物学中最强大的工具,来单独捕获和端详数百万个细胞的计划。为了执行解码人体37.2万亿细胞的任务,国际上成立了由来自美国、英国、瑞典、以色列、荷兰和日本的科学家组成的联合机构。

  项目的研究内容

  该项目主要包括三个方面的研究:一是在分离单独的细胞并用微珠标记后,使其被油滴包裹。油滴就像汽车一样运载着细胞,沿着被蚀刻在微小芯片上的狭窄的毛细管单向“街道”分流,最终聚集到特定的位置然后进行裂解并逐一研究。二是使用超快、高效的测序仪来解码在单个细胞中活化的基因。这一项研究工作花费不多,效率也高,一位科学家可以在一天内处理上万个细胞。

  三是使用全新的标记和染色技术,检测每个细胞的分子特征,基于基因活动来定位各种细胞在人体器官或组织中的“邮政编码”。

  细胞图谱项目主要由世界一流的研究机构负责执行,包括桑格研究所、麻省理工学院和哈佛大学的布罗德研究所,以及由脸谱网首席执行官马克·扎克伯格资助的位于加利福尼亚州的一个全新的Biohub研究所。

  2016年9月,扎克伯格和夫人普莉希拉·陈博士在旧金山宣布,为了资助科学家们攻克世界上最重要的疾病,他们将在未来10年内投入30亿美元(约合200亿元人民币)的巨额资金,希望后人能较少受到疾病的影响。普莉希拉·陈还倡议成立Chan Zuckerberg(CZ)Biohub,意图达到在本世纪末所有疾病都可以实现预防、管理或治愈的宏伟目标,同时捐赠6亿美元(约合40亿元人民币)给予支持。

  Biohub是一个独立的生物研究中心,负责协调和促进加州大学旧金山分校、加 州大学伯克利分校和斯坦福大学这几所世界顶尖研究型大学之间的科研活动。以上世界领先名校的生物医学或工程创新领域的佼佼者将积极联手其他研究机构的科学家和硅谷科技界的同仁们,致力于分享研究技术、工具和想法,为全球疾病治疗大格局注入新的驱动力量。

  Biohub日前宣布启动“细胞图谱”(The Cell Atlas)的第一个国际研究项目。该项目有助于开启研究人体健康和疾病的新“窗口”。通过掌握大量的信息,科学家可以深度了解人体机能是怎样运行,又是如何产生疾病的。

  项目的创新技术

  由于人体内不同细胞类型数量巨大,因此创建图谱成为一项史无前例的艰巨任务。好在近年来,生物医学研究领域出现的一系列创新技术,正在为人类细胞图谱的诞生“添砖加瓦”。

  生物芯片

  Biohub的科学家与新一代生物工程领域的研究人员紧密合作,专注于开发计算机集成电路的生物等效元件。这些嵌入了人类细胞的微型芯片或生物芯片使用微管道系统来分析患者样品和药物化合物。生物芯片又称蛋白芯片或基因芯片,可看作是DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术将大量探针分子固定于支持物上,而后与带荧光标记的DNA或其他样品分子(例如蛋白、因子或小分子)进行杂交,通过检测每个探针分子的杂交信号强度来获取样品分子的数量和序列信息。

  值得一提的是,斯坦福大学生物工程学家史蒂芬·奎克博士和同事做到了允许单个细胞在微流控芯片上的通道里移动。由于可以迅速且精准地捕获单个细胞,逐个对单个细胞的基因组进行测序分析,该技术奠定了细胞图谱宏图的基础。

  CRISPR基因编辑

  CRISPR是生命进化历史上细菌与病毒在斗争过程中产生的免疫武器,简单地说就是病毒能把自己的基因整合到细菌体内,利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务。为了将病毒的外来入侵基因清除掉,细菌进化出CRISPR系统。利用这个系统,细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除,这是细菌特有的免疫系统。10年前,微生物学家就了解到细菌拥有多种切除外来病毒基因的免疫功能。其中比较典型的模式是依靠一个复合物来进行,该复合物能在一段RNA(核糖核酸)指导下,定向寻找目标DNA序列,然后将该序列切除。由于许多细菌免疫复合物都相对复杂,科学家研究出并掌握了一种针对蛋白Cas9的操作技术,并先后对多种目标细胞DNA进行切除实验。这种被称为CRISPR/Cas9的基因编辑系统迅速成为生命科学中最热门的技术。

  CRISPR技术大大提升了研究人员编辑和更改基因组的能力,Bio-hub的人类细胞图谱项目也将广泛利用该技术手段测试实验室已有的细胞培养品系,深度理解打开或关闭特定基因是否影响细胞的基本功能,从而构建重要的疾病模型。借助CRISPR技术,Biohub能够改变特定细胞中的蛋白质动力学,并结合荧光标记,以前所未有的精度研究蛋白质功能。

  高性能计算平台

  基因学的创新促成了如今可以解码单个细胞的DNA,生物芯片能够立即分析组织样本和药物化合物,由此各种新型成像数据大量产生,所有这些工作让传统计算能力难以胜任。由于缺乏强大的计算平台,医学研究人员在数据处理时常常受到限制。

  因此,Biohub必须对计算技术进行投资开发,应用蓬勃发展的人工智能和机器学习能力,来满足生物医学研究人员的数据处理需求。于是,高性能计算平台项目草案自然吸引了国际科学界和全社会的广泛注意。

  全球实验室携手精诚合作

  在Biohub开展研究的同时,前文提到的那个联合机构——“国际人类‘细胞图谱’联盟”也在积极行动。2016年10月,国际人类“细胞图谱”计划启动会议在伦敦召开。来自世界各地的一群顶级科学家齐聚一堂,制定了人类“细胞图谱”计划第一阶段的内容,其中包括编目所有人体细胞类型(如免疫细胞和脑细胞等)及其子类型、绘制不同细胞类型在组织和人体中的分布图等。

  会议对国际人类细胞图谱计划的潜在价值、样本来源、数据分析策略,科学联盟的组织机制以及计划实施的基本原则等问题进行了深入讨论,并且为该计划第一阶段的实施提供了支持。

  马克·扎克伯格和夫人普莉希亚·陈博士表示:“对于人类‘细胞图谱’项目来说,2017年是伟大的一年。”

本文来自《科学24小时》

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