细胞千千万，怎样算一类？科学家们伤脑筋啊 | 《自然》长文

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原文作者：Amber Dance

现在，科学家们对细胞间的差异有更多的了解，但他们仍不想将其简单分类。

2013年，研究基因组的生物学家Jason Buenrostro遇到了细胞分类问题。他当时正在利用一个肿瘤来源的细胞系来绘制细胞核内DNA的排列方式。他以为这些细胞基本是相同的。然而随着对DNA的观察不断深入，他发现细胞的组装方式差异越来越多[1]。“我意识到可能有数百种不同的细胞类型。”当时还是斯坦福大学研究生的Buenrostro回忆道。

这一发现和其他研究促使他得出结论：“每个细胞都是一朵特殊的雪花。”这一结论大大增加了他研究癌细胞产生耐药性的复杂性。对现在在哈佛大学工作的Buenrostro来说，这意味着“所有这些细胞实际上都是重要的”。

尽管存在个体差异，但将相似细胞归为一类有其现实的理由。“定义细胞类型对于理解新的生物学现象、阐明潜在机制和确定治疗靶点至关重要。”中科院北京基因组研究所的生物信息学家章张表示。

目前，大型细胞图谱项目产生了大量数据，加深了人类对疾病的理解。从2010年代中期开始，科学家们主要依赖单细胞RNA测序对细胞进行分类。这是一种识别每个细胞所表达基因的技术，可以将具有相似特征的细胞归为一类。2016年启动的人类细胞图谱国际合作项目已分析了来自11000多人的9000多万细胞，正在建立18个不同的图谱，并已发表超过440篇研究。

但在这一进展背后，潜藏着一个看似简单的问题：究竟什么是细胞类型？

“细胞类型是一组彼此相似并与其他细胞组不同的细胞。”艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）的神经科学家曾红葵说。即便如此，这一定义仍留有大量解释空间：相似到何种程度？又如何与其他不同？

对这一问题，不同的研究者有着不同的答案。事实上《细胞系统》（Cell Systems）在2017年进行了调查，15位研究者给出了大相径庭的建议，提出了发育史、分子特征、形状或功能作为可能的识别因素[2]。“争论相当激烈。”Buenrostro说。

或许正是因为这个问题直达科学家们对生命基本单元的概念。一些研究者拒绝把细胞简单地看作基因表达的总和，而RNA测序图谱所暗示的恰恰是这种看法。另一些人则认为，细胞随时间推移而经历不同状态这一过程也必须被考虑在内。

但大部分人都至少同意一件事。瑞士联邦理工学院（ETH）的多细胞系统生物学家Barbara Treutlein说：“有一个共识：它极为复杂。”

技术推动分类

对于细胞生物学而言，关键定义的争论并不罕见：分类学家几个世纪以来一直在争辩“什么是物种？”而基因学家在几十年前“一个基因生成一个蛋白质”这一教条失灵后就不得不面对“什么是基因”的问题。

在细胞生物学的发展历程中，细胞列表曾以多种形式出现，反映了当时占据主导地位的技术。在20世纪之初前后，显微镜技术占据主流，西班牙组织学家Santiago Ramón y Cajal 描绘了细胞并根据外观进行分组。例如，某些常见的星状的脑细胞被称为星形胶质细胞。

随着20世纪中期分子生物学的兴起，科学家们学会了根据一组分子标志物来进行细胞分类。因此，星形胶质细胞被定义为产生胶质纤维酸性蛋白（GFAP）的细胞，该细胞很容易通过抗体染色或用绿色荧光蛋白标记GFAP基因被可视化识别。

2009年，单细胞RNA测序技术首次发布[3]。如今，细胞绘图师可以通过其表达的大量RNA来定义星形胶质细胞——这一方法与利用比较基因组学来理解物种演化的方法相似。

但这些工具都不能很好地说明星形胶质细胞的功能，即支持神经元和突触。

将细胞按功能进行分组并不容易。神经元便是其中的一个例子。杜克大学的神经生物学家Anne West说，神经元通常按其释放的化学物质（如多巴胺或血清素）进行分类，但许多神经元会产生相同的神经递质。例如在2000年代中期，科学家们就争论产生GABA神经递质的中间神经元有多少种类型，可能的答案从四种到一大堆。West期待有关单细胞和RNA表达的研究将帮助该领域在数字上找到共识。

尽管如此，哈佛大学的神经生物学家Joshua Sanes认为，“原则上”，细胞功能可能是定义细胞类型的更佳方式。而Treutlein 表示，细胞功能的一部分是其对环境的反应。在活组织中，细胞不断暴露于可能影响它们的信号，例如代谢物、激素或病原体。“你只有在了解细胞的反应后，才能真正知道它是什么类型。”Treutlein 说，“所有这些状态结合在一起将告诉你它是什么。”

她建议，未来的细胞图谱应纳入细胞对这种变化的反应——例如，细胞在药物治疗下可能如何改变其发育轨迹。

不幸的是，对于许多细胞类型，细胞的反应和功能并不明显，有可能是瞬时特征。搞清楚这些非常耗时，而且细胞从完整生物体转到实验室培养皿进行研究时，功能往往会发生变化。

这迫使研究人员采用更实用的细胞分类标准，也解释了标准化的分子方法为何能够占据主导地位。这些方法主要指单细胞RNA测序，也包括Buenrostro 等人研究的DNA包装技术[4]以及将这些分子标志和细胞在组织中的空间位置联系起来的方法。剑桥大学的基因组生物学家和生物物理学家、人类细胞图谱项目联合主席Sarah Teichmann说：“通过结合这些方法，我们重新定义了细胞类型。”

工欲善其事，必先利其器 

这种新的分子方法获得了令人兴奋的结果，有望重塑细胞生物学家对身体的许多认知。实际上，尽管科学家们此前估计人体约有200种细胞类型，但去年，曾红葵和同事仅在小鼠大脑皮层中就识别出超过5000个基于RNA分类的细胞簇[5]，也就是潜在的细胞类型。

科学家们甚至在已经充分研究的组织中发现了新的细胞类型。例如，约十年前，Sanes和同事开始用单细胞RNA测序研究小鼠视网膜中的细胞类型。当时，科学家们估计约有65种类型；而新的分析则至少发现了130种[6]。Sanes表示，过去的研究可能错过了比较稀有或非常相似的类型，而分子方法能够区分它们。Sanes和合作者目前正在比较不同物种的视网膜图谱[7]。

细胞图谱对医学研究也有直接影响。两个独立的研究团队发现了一种可能与囊性纤维化相关的新型罕见细胞类型[8,9]；另一个团队对心脏的起搏细胞进行了概述和绘制[10]。

生物计算和系统生物学家、基因泰克公司（Genentech）研究与早期开发部门负责人、人类细胞图谱项目联合主席Aviv Regev表示，在COVID-19疫情期间，许多细胞图谱研究人员开始研究SARS-CoV-2病毒。研究确定了多种易受感染的细胞类型，并展示了它们的细胞反应与其他疾病中细胞反应的相似或不同[11]。

Regev表示，基因泰克已经在药物开发中利用了细胞图谱数据。例如，一个团队正在测试一种与肺部细胞受体结合的药物，通过查阅细胞图谱，研究者发现该受体还存在于与炎症性肠病相关的肠道细胞中。这促使他们对针对炎症性肠病也测试了该药物。如果没有这一资源，他们可能永远不会注意到这种相似性。

更深层的定义

除了治疗目的和期望对人体组织进行归类外，细胞类型问题还涉及一个更深刻的难题：生命的基本单元是什么？

“我觉得泛泛的来说有两派，一个关注细胞，另一个关注基因。”纽约大学朗格尼医学中心（NYU Langone Health）的系统生物学家Itai Yanai说。

西班牙加泰罗尼亚研究与高级研究所（Catalan Institution for Research and Advanced Studies）的发育生物学家Alfonso Martinez Arias是一个坚定支持细胞视角的人。他表示，单细胞RNA测序创造了一种以基因为中心的视角，这使科学家们忽视了其他问题。他说：“我认为，细胞远不止于其所含RNA的总和。”例如，当他在培养皿中培养细胞以模拟早期胚胎时，2D培养细胞的RNA特征与3D类器官的RNA特征差异不大——尽管3D版本明明有相当不同的结构和组织。

然而，像Yanai这样的科学家认为，基因是生命的基本单元，细胞是这些基因的表现。因此，根据RNA对细胞类型进行分类是合理的。他说：“你告诉我哪些基因是表达的，我就能告诉你是什么细胞类型。”例如，皮肤中的色素细胞（黑色素细胞）会表达特定的“黑色素细胞模块”基因。

Yanai指出，另一种定义细胞类型的方法是观察细胞核中基因组的物理状态——基因组如何形成环和卷曲，使一些基因可及，另一些被隔离，并调控某些基因可转录。 

但基因组的调节也受其他上游基因和蛋白质的控制。这些调节分子是否可被视为细胞类型的真正根源？维也纳大学的进化生物学家Günter Wagner认为是这样的。

Wagner和同事有一个理论[12]：细胞类型由“核心调控复合体”（CoRC）的大型转录因子及其他分子复合物控制。这个调节因子的集合将影响DNA，开启某些基因并抑制其他基因，从而决定染色质的排列、RNA特征——还有细胞类型。Wagner表示，已经为一些细胞类型（如神经细胞和血细胞）定义了CoRC，但目前不清楚这一概念的通用性。他推测，CoRC会得到比单细胞分析方法更少的细胞类型。 

CoRC“就像你在寻找细胞类型时的独角兽”，康奈尔大学植物分类学家Jeff Doyle说。他在一些植物细胞图谱中发现了相关线索。

对于目前对RNA测序的关注，Teichmann 承认批评者是有道理的，“当然，细胞类型不仅仅是RNA特征。”她指出，人类细胞图谱预计将整合不同的细胞分类方法；RNA分析只是第一种能够大规模管理的方法。她表示，由于RNA反映了细胞生物学的其他方面，包括染色质的排列及其蛋白质的组成，因此这一方法非常有效。

时间与状态

细胞类型通常根据细胞当前的身份进行绘制。然而，细胞的过去和未来同样至关重要，华盛顿大学的干细胞生物学家Sam Morris说。即使是那些看似稳定的细胞，也可能在某些条件下转变为不同类型——比如免疫细胞被激活以对抗感染——或者在某些条件下变得癌变或疾病化。

细胞的过去引起了发育生物学家的深切关注，他们研究了一个细胞如何分裂和分化，首先生成胚胎，进而整个生物体。这就是为什么细胞类型的最终表示应该是一个树状结构：以身体的第一个细胞为根部，并以成熟类型作为分支的尖端，华盛顿大学的发育遗传学家Jay Shendure说。他表示，图谱中的部件清单“低估了时间和连续性的概念”。

研究人员开始创建数据来支持这种树状结构。在今年的一项研究中，Shendure及其同事追踪了小鼠胚胎中的单细胞转录组，从早期发育到出生及之后。他们发现出生后一个小时内细胞RNA表达发生了重大变化，这可能因为它们必须适应子宫外的生活[13]。

不过，通过发育谱系追踪细胞类型也存在问题。有时看似相同的细胞类型可能通过不同的发育轨迹产生。而且，目前不清楚应该如何对中间形式进行分类。Morris说：“我仍认为存在一个问题：细胞身份是连续的还是离散的？”

还有一种更短暂的细胞特性，即细胞状态。细胞可以保持细胞类型，状态却发生剧烈变化。例如，从新生细胞到准备进行下一次细胞分裂，或从静息状态到激活状态。将短暂的细胞状态与真正的细胞类型区分开来可能非常具有挑战性，章张说。

求同存异

如果不同的技术无法以相同的方式对细胞进行分类，而每个细胞在精细层面上都是独立个体，那么细胞类型究竟是什么？

哈佛医学院的系统生物学家Allon Klein说如果这个概念看起来仍显模糊，那也是应该的。他表示这个概念可以同时“既很有用又定义不清”。

因为归根结底并无简单真相可循。自然并没有像人类工程师那样给出一份整齐的部件清单，任何分类的努力在某种意义上都是人为的。分类学家努力定义物种的情况也是如此，这一问题从未真正消失，Klein说，但随着基因数据的涌入，答案将不断演变。Klein认为，细胞生物学也将会发生类似的情况。

研究人员已经开始提出更细致的方法来接受和考虑细胞的变化。Buenrostro和Regev已经不太将细胞单纯看作特定类型的成员，更多将之视作特定细胞在某一时间基于模块或通路运行的身份集合。因此，一个细胞可能正在运行一个稳定的“成纤维细胞”程序，同时叠加着“激活以修复伤口”和“细胞分裂”的状态。

对特定研究者来说，模块的重要性将取决于他们的兴趣和视角。这就是为什么细胞“图谱”的隐喻如此贴切，Regev说。正如地图集结合了自然特征、政治边界等概念一样，细胞图谱也可以整合不同版本的细胞身份——无论使用者的视角或目的是什么。