科学家们如今拥有的信息比以往任何时候都要多，这些信息揭示了细胞间的差异——然而，这并不意味着细胞能轻易地被分类。![]()
2013年，基因组生物学研究者观察到了细胞类型定义上的难题。当时，基因组生物学家Jason Buenrostro正在研究从癌症病患身上提取的细胞系，旨在描绘DNA在细胞核内的布局。他原本认为这些细胞应该是大致相同的。然而，随着Buenrostro对DNA的研究深入，他发现DNA的包装形式存在显著的个体差异。“那时候我还是斯坦福大学的一名研究生，”Buenrostro回忆道，“我开始意识到，细胞的变异性可能有数百种。”
此研究以及其他相关研究推动了“每一个细胞都是独一无二的'雪花'”这一观点的形成。这一发现使得探究某些癌细胞如何发展出抗药性变得更为复杂。对于目前任职于哈佛大学的Buenrostro而言，这意味着“所有这些独特的细胞实际上都有着重要的意义”。尽管细胞各具特色，但将相似的细胞归为一类仍有其实用价值。“定义细胞类型对于理解新的生物现象、阐明潜在机制和确定治疗靶点至关重要”，中国科学院北京基因组研究所的生物信息学家章张说道。建立庞大细胞图谱的项目已经生成了大量的数据，并且带来了对疾病的新见解。自2010年代中期以来，科学家们在对细胞进行分类时广泛采用了单细胞RNA测序技术，该技术能够识别每个细胞中活跃的基因，从而帮助将具有相似特征的细胞进行归类。跨国合作项目“人类细胞图谱”（Human Cell Atlas）自2016年启动以来，已分析了来自11,000多名个体的超过9000万个细胞，持续努力构建18个不同的图谱，并发布了440多份研究报告。然而，在这一系列进展的背后，却潜藏着一个看似简单实则深奥的问题：到底什么是细胞类型？“细胞类型是指一组细胞，它们彼此之间具有相似性，同时又与其它细胞群体有所区别。”西雅图艾伦脑科学研究所所长、神经科学家曾红葵表示。但即便是这样一个定义，也留下了很大的解释空间：何为相似？又在哪些方面有所不同？如果你询问十几位研究人员，可能会得到同样多的不同回答。事实上，Cell Systems期刊在2017年进行的一项研究中，15位研究人员提出了迥异的观点，他们指出发育历史、分子特征、形态或功能可能是区分细胞类型的依据。“争论有时会非常激烈，”Buenrostro说道。或许是因为这个问题触及了科学家们如何看待生命基本构成单元的本质。一些研究者反对将细胞仅仅视为基因表达之总和的观点，即便基于RNA测序的图谱似乎指向了这一结论。而另一些人则认为，必须考虑到细胞在其生命周期中经历的各种状态变化。然而，苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的多细胞系统生物学家Barbara Treutlein指出，大多数人对此有一点共识。“大家都普遍认同，这是一个极其复杂的问题。”她说道。有关核心定义的争论并不仅限于细胞生物学领域：几个世纪以来，分类学家一直在探讨“何为物种”的问题；数十年前，当“一个基因编码一种蛋白质”的传统观念开始被打破时，遗传学家也不得不去面对“基因是什么”的疑问。在细胞生物学的历史长河中，细胞组件清单的形式多种多样，反映出当时主要的技术手段。大约在1900年前后，显微镜技术风靡一时，像西班牙组织学家Santiago Ramón y Cajal这样的研究人员绘制了细胞图谱，并开始根据外观特征将细胞分组。例如，某些常见的星状脑细胞被称为星形胶质细胞（astrocytes）。随着20世纪中期分子生物学革命的到来，科学家们学会了通过一组有限的分子标志来分类细胞。因此，星形胶质细胞被定义为能够产生胶质纤维酸性蛋白（GFAP）的细胞，通过抗体染色或者使用绿色荧光蛋白标记GFAP基因，就能够轻松地识别这些细胞。随后，单细胞RNA测序技术在2009年首次被报道，这一方法的出现使得细胞绘图者能够通过星形胶质细胞表达的大量RNA来定义它们——这与利用比较基因组学理解物种演化的策略有着异曲同工之妙。然而，这些工具均未能揭示星形胶质细胞的功能，即它们支持神经元和突触的作用。![]()
▲图 | 小脑中的浦肯野氏神经元细胞（蓝绿色），小脑是控制运动及其他功能的脑区。
按功能对细胞进行分类绝非易事。杜克大学的神经生物学家Anne West提到，神经元是一类常按功能进行分类的细胞。然而，许多神经元会产生相同的神经递质；例如，在2000年代中期，科学家们就曾对有多少种类的中间神经元会产生GABA这一神经递质展开争论，估算的结果从四种到更多不等。West预计，当前对单细胞及整个大脑中RNA表达的研究将有助于该领域就此数字达成共识。
然而，哈佛大学的神经生物学家Joshua Sanes认为，从原则上讲，细胞功能可能是定义细胞类型的最佳方法之一。Treutlein补充道，细胞功能的一部分体现在细胞对环境的响应上。在活体组织中，细胞会不断暴露在各种可能影响其状态的信号中，比如代谢物、激素或病原体。“只有了解了细胞的反应，你才能真正明白它属于哪种类型的细胞，”Treutlein说道。“这些状态综合在一起，才能告诉你它属于哪一类细胞。”她建议，未来细胞图谱的构建应当包含细胞如何响应此类变化——例如，细胞如何通过药物治疗改变其发育路径。不幸的是，许多细胞类型的响应和功能并不明显，甚至可能是瞬态特征。研究这些响应和功能需要大量的时间和精力，并且当细胞从整个生物体转移到实验室的培养皿中进行研究时，其功能常常会发生改变。这迫使研究者们采用更为实用的标准来划分细胞类型，同时也显示了标准化分子方法占据主导地位的原因——主要依赖单细胞RNA测序技术，还包括由Buenrostro及其同事开发的用于研究DNA包装的技术，以及将这些分子标记与细胞在组织中的位置关联起来的空间方法。作为人类细胞图谱项目联合主席的剑桥大学基因组生物学家和生物物理学家Sarah Teichmann表示，通过整合这些方法，“我们真正重新定义了细胞类型的概念”。新的分子方法已经取得了令人振奋的成果，有望重写细胞生物学家对人体大部分认知的理解。实际上，尽管科学家们曾经估计人体内约有200种细胞类型，但曾红葵及其同事仅在小鼠大脑皮层中就发现了超过5000个基于RNA的细胞群落，因而也发现了潜在的细胞类型。即使是在已经被广泛研究的组织中，集中精力的努力也能发现新的类型。例如，大约10年前，Sanes及其同事开始运用单细胞RNA测序技术研究小鼠视网膜中的细胞类型。当时，科学家们估计大约有65种，而新的分析却发现至少有130种。Sanes认为，在此之前，研究人员很可能忽略了那些稀有或极为相似的类型，而分子方法可以区分这些类型。Sanes和他的合作者目前正在比较不同物种中的视网膜图谱。细胞图谱同样对医学研究产生了直接影响。两个独立的研究团队发现了一种罕见的新细胞类型，该类型可能与囊性纤维化有关；另一个研究团队对心脏起搏器细胞进行了分析和绘制。Aviv Regev是生物技术公司Genentech的研究与早期开发主管，同时也是人类细胞图谱的联合主席，他表示，在COVID-19疫情期间，许多图谱研究人员转向了对SARS-CoV-2病毒的研究。研究揭示了多种易感细胞类型，并展示了它们的细胞响应与其他疾病中的细胞响应有何异同。Regev提到，Genentech已经将细胞图谱数据应用于药物开发。例如，一个研究小组一直在测试一种治疗肺病的药物，这种药物与肺部细胞中的某一受体结合。然而，在查阅细胞图谱时，研究者们在与炎症性肠病相关的肠道细胞中发现了同样的受体。这促使他们对该疾病测试同一药物。Regev表示，若没有这些资源，他们根本不会注意到这种相似性。除了对疗法的探索和对人体进行清点的愿望外，细胞类型的问题还触及了一个更为深刻的问题：生命的最基本单位是什么？纽约大学朗格健康中心的系统生物学家Itai Yanai指出：“我认为基本上存在两大阵营：一方关注细胞，另一方关注基因。”西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚研究与高等研究所的发育生物学家Alfonso Martinez Arias坚定地站在以细胞为中心的阵营中。他认为单细胞RNA测序倾向于产生一种以基因为中心的观点，这可能会转移科学家们对其他问题的注意力。“我认为细胞远不只是其所含RNA的总和，”Martinez Arias说道。例如，当他在培养皿中培养细胞以建立早期胚胎模型时，发现二维培养物的RNA图谱与三维器官样组织的RNA图谱相差无几，尽管后者在结构和组织上差异很大。然而，对于像Yanai这样的科学家来说，基因才是生命的基本单位，而细胞则是这些基因的体现形式。“你只要告诉我哪些基因被激活了，我就能告诉你这是什么细胞类型。”他举例说，皮肤中的色素生成细胞——黑素细胞，会表达一种特定的“黑素细胞模块”基因。▲图 | 小肠中的绒毛，这些结构有助于从食物中吸收营养物质。
Yanai还提到，另一种定义细胞类型的方法是观察细胞核内基因组的物理状态——基因组如何形成环状和盘状结构，使一些基因易于接触，而另一些则被封闭，从而控制哪些基因可以被转录。
但即使是这样的基因组排列也受到了其他上游基因和蛋白质的调控。这些调控分子是否可以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认为可以。Wagner和他的同事们提出了一种理论：细胞类型是由转录因子和其他分子组成的大型复合体控制的，这些复合体被称为“核心调控复合体”（CoRC）。这些调控因子的集合拨动DNA的琴弦，激活一些基因，抑制另一些基因，从而决定染色质的排列、RNA的配置以及最终的细胞类型。Wagner指出，CoRC已经定义了一些细胞类型，如神经细胞和血细胞，但目前还不清楚这一概念的普遍适用性。他认为，相较于基于单细胞分析的细胞簇，CoRC定义的细胞类型数量较少。康奈尔大学的植物系统学家Jeff Doyle则表示，CoRC“有点像是你要找的独角兽，能够告诉你细胞类型是什么。”他在一些植物细胞图谱中看到了这种细胞类型的迹象。至于当前对RNA测序的关注，Teichmann承认批评者的观点有其合理性。“当然，细胞类型不仅仅是一个RNA图谱，”她说。她指出，人类细胞图谱计划有望整合不同的细胞分型方法；而RNA分析只是目前能够大规模操作的第一种方法。她说，RNA之所以强大，是因为它反映出了细胞生物学的其他方面，包括染色质的排列和蛋白质的组成。细胞类型的定义通常侧重于描述细胞当前的身份。然而，华盛顿大学医学院的干细胞生物学家Sam Morris指出，细胞的过去和未来同样重要。即便是看似身份稳定不变的细胞，也可能转变成其他类型的细胞——比如激活的抗感染免疫细胞，甚至在某些情况下转变为癌细胞或病变细胞。当然，发育生物学家对细胞的历史非常感兴趣，他们的研究对象是一个细胞如何分裂并多样化，从最初的胚胎发育到最后形成完整的生物体。华盛顿大学的发育遗传学家Jay Shendure认为，细胞类型的终极呈现形式应该是一个树状结构，其根源于人体的第一个细胞，最终在枝梢分化为成熟的细胞类型。Shendure指出，现有的图谱中的部件列表“对时间和连续性的概念重视不足”。研究人员已经开始创建支撑这种树状结构所需的数据。例如，在今年的一项研究中，Shendure和他的同事追踪了从小鼠胚胎早期发育到出生乃至之后的单细胞转录组动态变化。他们发现，在出生后的一个小时内，细胞中表达的RNA发生了显著的变化，这可能是因为动物必须适应离开子宫后的生活环境。然而，按照发育谱系来追踪细胞类型也面临着自身的难题。在极少数情况下，看起来相同的细胞类型可能通过不同的途径产生。并且目前尚不清楚如何对这些中间形式进行分类。“我仍然认为存在一个问题，即细胞特性是一个连续的属性，还是一个离散的属性？”Morris说道。此外，还有一种更加瞬时的细胞属性需要考量，那就是细胞状态。一个细胞的类型可以保持不变，但其状态却可以发生根本性的变化：例如，从静息状态变为准备进行下一次细胞分裂，或是从静止状态转变为激活状态。张力提到，将这些短暂的细胞状态与真正的细胞类型区分开来是非常具有挑战性的。如果不同技术对细胞的分类方式各不相同，而且每个细胞在最细微的层面上都是独一无二的，那么究竟什么是细胞类型呢？哈佛医学院的系统生物学家Allon Klein认为，如果这个概念依然显得模糊不清，这也是情有可原的。他说，这个概念既是“非常有用的”，同时又是“难以明确定义的”。这是因为，从根本上说，不存在简单的基础真理。自然界并没有像人类工程师那样创造一个整洁有序的零件清单，任何尝试对事物进行分类的努力在某种层面上都是人为的。Klein指出，分类学家在定义物种时遇到的困境亦是如此：这个问题从未真正消失，但随着基因数据的不断增加，答案也在不断地演变。Klein相信，细胞生物学领域也将经历类似的情况。研究人员已经开始提出更加细致的方法来接受并解释细胞变异。Buenrostro和Regev已经开始将细胞视为不仅是特定类型的一员，而是更多地将其视为基于特定细胞在特定时刻运行的模块或通路的身份集合。比如说，一个细胞可能正在执行一个稳定的“成纤维细胞”程序，并叠加了“激活修复伤口”和“细胞分裂”的状态。对于特定的研究人员而言，重要的模块取决于他们的兴趣和视角。Regev提到，这就是为什么“图谱”这一比喻如此贴切的原因。就像地理图集结合了自然特征、政治边界和其他概念一样，细胞图谱也可以统一不同版本的细胞特性——无论用户的角度如何，也无论他们的研究焦点为何。文章信息
标题：What is a cell type, really? The quest to categorize life’s myriad forms
期刊：Nature
类型：News Feature
作者：Amber Dance
时间：2024-09-24
DOI：https://doi.org/10.1038/d41586-024-03073-2
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