人类的四肢到底是如何长出的？中大科学家给出了答案
一只蝾螈如果失去四肢
它能够重生出全新的四肢
如果能让人体也具有这种再生能力
将在医学上具有重要的价值
想要破解人体如何再生四肢
或许可以从如何发育出四肢入手
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
单细胞图谱的构建及细胞类型的时空分布
这个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
Nature官网在线发布截图
01
探本溯源
探秘生命科学底层问题
“发育过程中，我们四肢的形成并非一蹴而就，而是经历过复杂的细胞演变过程。在胚胎发育第四周末，四肢仅以简单的几乎均一细胞团形状凸起出现在身体的两侧，但到了第八周，这一细胞团则已经完全分化，形成具有复杂解剖结构的四肢，并形成完整的手指和脚趾。”张宏波说，这依赖于细胞之间非常迅速而精确的协调。
张宏波教授在实验室
这个过程到底是如何发生的：
那些细胞是怎么知道自己要长成四肢，而且有的长成皮肤，有的长成骨骼？
又是怎么知道自己要长成什么形状，长在什么位置？
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。
近年来发展的单细胞技术使得在人类中直接研究肢体发育过程中的细胞命运决定和空间位置形成成为可能。
02
技术进步
单细胞技术为揭秘创造可能
张宏波教授团队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。
张宏波教授在实验室
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。
趾和趾间的形成及调节机制
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，比如短指和多指等发育异常的现象。”
人类两轮骨骼肌形成的路径和细胞分化调节基因
03
深入挖掘
期待再生医学领域的更多应用
论文在《自然》杂志在线发布后，很多研究发育、抗衰、再生等领域的科学家和企业，纷纷联系张宏波教授团队，希望开展进一步的合作。
“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。
