計算生物學(xué)家 Aviv Regev 喜歡挑戰(zhàn)一些看似不可能完成的任務(wù)。2011 年，她與分子遺傳學(xué)家 Joshua Levin 合作，測試了 RNA 測序的幾種方法?？茖W(xué)家希望找到這幾種技術(shù)的極限，以查看哪種方法表現(xiàn)最佳。最終，Levin 指出，一些技術(shù)的靈敏度非常高，能檢測含量低于單細(xì)胞中含有的 RNA 量的樣本。

對于 Regev 而言，這似乎是個好機(jī)會。她一直在尋找探索復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)在單個細(xì)胞中的運作機(jī)制的方法，并想了解在各個細(xì)胞中這些網(wǎng)絡(luò)有何差異，以及最終各種細(xì)胞群體如何協(xié)同工作。

這些答案將揭示細(xì)胞如何構(gòu)建復(fù)雜生物體，比如人類。就職于美國博德研究所的 Regev 和 Levin 對 18 個來自小鼠骨髓、看似相同的免疫細(xì)胞進(jìn)行了 RNA 測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中一些細(xì)胞與其余細(xì)胞的基因表達(dá)模式截然不同。它們就像兩個不同的細(xì)胞亞型。

這使得 Regev 想進(jìn)一步推進(jìn)研究，利用單細(xì)胞測序了解人體內(nèi)存在多少種不同的細(xì)胞類型、它們在哪個部位以及如何發(fā)揮作用。Regev 的實驗室同時對 18 個細(xì)胞進(jìn)行了檢測，一共測定了數(shù)十萬個 RNA 的序列，并將單細(xì)胞分析與基因組編輯技術(shù)結(jié)合起來，以了解關(guān)鍵調(diào)控基因被抑制時會發(fā)生什么。

結(jié)果是發(fā)現(xiàn)了一些新的細(xì)胞類型。但 Regev 還希望找到更多的細(xì)胞類型。2016 年年底，她幫助推出了“國際人體細(xì)胞圖譜計劃”。該計劃準(zhǔn)備對人體中所有（估計 37 萬億個）細(xì)胞進(jìn)行分類和測序。

瑞典皇家理工學(xué)院微生物學(xué)家 Mathias Uhlén 指出，現(xiàn)在測繪單個細(xì)胞的研究越來越流行了?！暗艺J(rèn)為，人體細(xì)胞圖譜計劃是歷史上最重要的生命科學(xué)項目之一，它甚至要比人類基因組計劃更重要。”

紐約市紀(jì)念斯隆凱特琳癌癥中心計算生物學(xué)家、認(rèn)識 Regev 已有 18 年的 Dana Pe’er 表示，Regev 就喜歡這種大規(guī)模項目?！癛egev 非常獨特的一點就是她的視野非常開闊。我從未見過一個科學(xué)家，能同時深入而創(chuàng)新地思考這么多事情?！?/span>

懸而未決

當(dāng) Regev 還是以色列特拉維夫大學(xué)的本科生時，她必須在開始學(xué)習(xí)之前選擇一門課程。但她不想選?！疤嘤腥さ氖虑榱??！彼f。最后，她選擇了一個先進(jìn)的跨學(xué)科項目，以便同時學(xué)習(xí)多個學(xué)科。Regev 還跳過學(xué)士學(xué)位，直接攻讀碩士。

Regev 本科期間的轉(zhuǎn)折點是得到了進(jìn)化生物學(xué)家 Eva Jablonka 的指導(dǎo)。Jablonka 提出了一個關(guān)于表觀遺傳進(jìn)化的備受爭議的理論。Regev 佩服 Jablonka 面對批評的勇氣和坦率。Regev 認(rèn)為，“容易的路總是很多，但選擇走困難道路的人更讓人印象深刻?！?/span>

Jablonka 的課程有 Regev 喜愛的復(fù)雜遺傳學(xué)問題。她表示，“基因非常有趣，但更有趣的是基因之間的相互協(xié)作。而基因彼此協(xié)作的第一媒介是細(xì)胞?！?/span>

之后，Regev 在以色列魏茲曼科學(xué)研究所 Ehud Shapiro 實驗室攻讀計算生物學(xué)博士學(xué)位。2003 年，她搬到了哈佛大學(xué)鮑爾基因組學(xué)研究中心。在那里 Regev 擁有了自己的獨立小團(tuán)隊。

Regev 著重于通過觀察細(xì)胞中的 RNA 分子分析遺傳網(wǎng)絡(luò)。2004 年，她將這種技術(shù)應(yīng)用于腫瘤，由此發(fā)現(xiàn)了不同類型癌癥共享的基因表達(dá)模式，以及一些更具體的基因表達(dá)模式。到 2006 年，35 歲的她在博德研究所成立了自己的實驗室。

打破相似性

在博德研究所，Regev 致力于研究如何從 RNA 測序數(shù)據(jù)中篩選出復(fù)雜信息。2011 年，她開發(fā)了一種在不使用參考基因組的情況下，組裝出完整的轉(zhuǎn)錄組的方法，這種技術(shù)在生物體的基因組未被深入測序時非常重要。

當(dāng)時，Levin 也提出了對單個細(xì)胞內(nèi) RNA 進(jìn)行測序的前景。在此之前，單細(xì)胞基因組學(xué)幾乎是不可能的，因為技術(shù)不夠靈敏，無法檢測一個細(xì)胞內(nèi)的微量 RNA 或 DNA。但 2011 年情況開始發(fā)生變化。

Regev 等人使用 18 種免疫細(xì)胞——也是樹突狀細(xì)胞，測試相關(guān)方法。Regev 當(dāng)時的博士后、現(xiàn)在就職于紐約基因組中心的 Rahul Satija 提到，“我當(dāng)時堅持實驗會證明同樣類型的細(xì)胞的檢測結(jié)果是相同的。”然而結(jié)果并非如此，他發(fā)現(xiàn)了兩種完全不同的細(xì)胞亞型。甚至即使是同一亞型里，個體細(xì)胞的調(diào)控表達(dá)和免疫基因都存在很大的差異。Regev 回憶，那是很小的一個研究，但卻發(fā)現(xiàn)了很多信息。

在標(biāo)準(zhǔn)遺傳測序中，研究人員會從許多細(xì)胞的混合物中提取 DNA 或 RNA，以產(chǎn)生整個細(xì)胞群體的平均讀數(shù)。Regev 將這種方法比喻成水果冰沙。顏色和味道能提示冰沙的成分，但是其中一個甚至十幾個藍(lán)莓的味道，很容易被一堆草莓覆蓋。

相比之下，“單細(xì)胞數(shù)據(jù)就像水果沙拉。你可以輕而易舉地將藍(lán)莓和黑莓分開?！盧egev 說。這有助于揭示細(xì)胞的多樣性。生物學(xué)家可以使用單細(xì)胞基因組學(xué)對腫瘤進(jìn)行序列分析，以確定哪些基因被惡性細(xì)胞表達(dá)、哪些被非惡性細(xì)胞表達(dá)、哪些被免疫系統(tǒng)或血管表達(dá)——這可以推動新型癌癥藥物的開發(fā)。

該技術(shù)還能幫助開發(fā)針對其他多種疾病的藥物。在全面分析哪些細(xì)胞高表達(dá)致病基因的情況下，了解哪些基因是潛在的藥物靶標(biāo)更具臨床意義。

實際上，Regev 不是唯一一個迷戀大規(guī)模單細(xì)胞分析的人。至少從 2012 年起，科學(xué)家就一直想使用這些技術(shù)繪制人類其他細(xì)胞類型。加州斯坦福大學(xué)生物工程師、陳—扎克伯格生物科技中心共同負(fù)責(zé)人 Stephen Quake 表示，幾乎同時，世界多個地區(qū)的研究組都各自提出了這種想法。

人體細(xì)胞圖集

2014 年前后，Regev 開始舉辦關(guān)于細(xì)胞測繪的講座和研討會。英國維康信托桑格研究所細(xì)胞遺傳學(xué)主管 Sarah Teichmann 聽說了 Regev 的想法，并于去年聯(lián)系她，問她是否愿意合作建立一個國際人體細(xì)胞圖譜項目。該項目不僅需要基因組學(xué)研究人員參與，還需要研究各種組織和器官系統(tǒng)的生理學(xué)專家參與。

Regev 抓住了這個機(jī)會，她和 Teichmann 現(xiàn)在是人體細(xì)胞圖譜計劃的聯(lián)合負(fù)責(zé)人。該項目計劃將對人體各種細(xì)胞的 RNA 進(jìn)行測序，然后使用這些基因表達(dá)譜將細(xì)胞分類，定義新的細(xì)胞，并繪制所有細(xì)胞及其分子的空間組織方式。

該項目還旨在發(fā)現(xiàn)和表征人體中所有可能的細(xì)胞狀態(tài)?？茖W(xué)家認(rèn)為，人體內(nèi)大約有 300 種主要的細(xì)胞類型，但 Regev 認(rèn)為人體內(nèi)的細(xì)胞類型和狀態(tài)遠(yuǎn)超過這個數(shù)字。Teichmann 指出，現(xiàn)在項目還處于起步階段。

一些科學(xué)家擔(dān)心，人體細(xì)胞圖譜計劃將耗盡其他項目的資金和努力——這是許多類似大型國際大科學(xué)項目都會受到的批評。Regev 實驗室博士生 Atray Dixit 指出，確實有這個壓力。“我們知道會得到很多重要發(fā)現(xiàn)，從學(xué)術(shù)意義上講，這個項目是低風(fēng)險的，但成本太高了。我們應(yīng)思考如何在學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)成本之間尋找平衡?！?/span>

而英國劍橋大學(xué)發(fā)育生物學(xué)家 Azim Surani 不確定該項目能否平衡數(shù)據(jù)量和信息深度?！叭梭w細(xì)胞圖譜給你的是一幅很大的圖，但你并不能深入了解不同的細(xì)胞類型，以及它們之間的關(guān)系。因此很難說人體細(xì)胞圖譜計劃的投入產(chǎn)出比有多高?！彼f。

Surani 也懷疑單細(xì)胞基因組學(xué)是否已經(jīng)成熟到足以開展一個大項目。“技術(shù)已經(jīng)成熟到你可以充分利用了嗎？ ”他說。例如，在無偏向且不影響 RNA 品質(zhì)的情況下，從組織中提取單細(xì)胞仍然是非常困難的。如果很多團(tuán)體獨立摸索這類問題，效果可能比現(xiàn)在直接開展大規(guī)模細(xì)胞圖譜繪制要好。

很多人還擔(dān)心這個項目何時才能完成。但 Regev 認(rèn)為完成不是唯一的目標(biāo)。計劃是模塊化的，你可以把它分解成很多碎片。她表示，即使該項目只是對視網(wǎng)膜中的所有細(xì)胞進(jìn)行編目，也會對藥物開發(fā)非常有用。“時間會證明它的價值?！彼f。

現(xiàn)在，Regev 工作起來沒日沒夜。而她的工作強度和高度聚焦源自于對細(xì)胞的無限熱愛?！拔沂欠浅Ｐ疫\的人，做的是最愛的事情。無論怎么看，細(xì)胞都是神奇而迷人的?！彼f