【Gene 愛聊科學】生物學的未來:單細胞生物學(Single-cell biology)

在細胞理論發展了近兩百年後,科學家終於能夠用新的技術解決許多舊的問題以及發掘新的研究方向,這些重大的突破相信未來會改寫不少生命科學領域的教科書。
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A microscopic view shows a colony of human embryonic stem cells (light blue) growing on fibroblasts (dark blue) in this handout photo released to Reuters by the California Institute for Regenerative Medicine, March 9, 2009. U.S. President Barack Obama has lifted restrictions on federal funding of human embryonic stem cell research, angering abortion opponents but cheering those who believe the study could produce treatments for many diseases.  MANDATORY CREDIT  REUTERS/Alan Trounson/California Institute for Regenerative Medicine/Handout (UNITED STATES HEALTH SCI TECH POLITICS IMAGE OF THE DAY TOP PICTURE) FOR EDITORIAL USE ONLY. NOT FOR SALE FOR MARKETING OR ADVERTISING CAMPAIGNS - RTXCJVK
A microscopic view shows a colony of human embryonic stem cells (light blue) growing on fibroblasts (dark blue) in this handout photo released to Reuters by the California Institute for Regenerative Medicine, March 9, 2009. U.S. President Barack Obama has lifted restrictions on federal funding of human embryonic stem cell research, angering abortion opponents but cheering those who believe the study could produce treatments for many diseases. MANDATORY CREDIT REUTERS/Alan Trounson/California Institute for Regenerative Medicine/Handout (UNITED STATES HEALTH SCI TECH POLITICS IMAGE OF THE DAY TOP PICTURE) FOR EDITORIAL USE ONLY. NOT FOR SALE FOR MARKETING OR ADVERTISING CAMPAIGNS - RTXCJVK
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人類是多細胞生物,身體可能有 50 兆個細胞。當你讀完這句話,可能其中的幾千萬個細胞已汰舊換新了。

「人體由細胞構成」是今天幾乎人人皆知的常識,然而這卻不是顯而易見的。在 1665 年,英國博物學家羅伯特·虎克(Robert Hooke,1635 -- 1703),首次用顯微鏡發現了植物細胞,但他還未意識到那是植物的結構單位。

要到 1838 年,累積了不少科學家的觀察,德國耶拿大學的植物學家馬蒂亞斯·雅各布·施萊登(Matthias Jakob Schleiden,1804 -- 1881)才提出「細胞是一切植物的基本單位」和「一切植物藉以發展的根本實體」的學說。不久後,德國盧萬大學的解剖學家泰奧多爾·許旺(Theodor Schwann,1810 -- 1882)於 1839 年把細胞說擴大到動物界。

細胞理論:一切動植物都由細胞和細胞產物所構成

細胞理論現在已經成為生物學的基礎。我們知道,細胞是一個有機體,一切動植物都由細胞發育而來,並由細胞和細胞產物所構成;細胞是一個相對獨立的單位,既有自己的生命,又對與其他細胞共同組成的整體的生命起作用;新細胞可以從以前存在的活細胞中產生。

可是儘管已發展了 180 年,我們對細胞的大部分運作方式仍毫無頭緒。

我們現在知道,就我們人體而言,細胞構成了組織,組織構成了器官,而運作配合無間的器官構成了完整的人體。每顆細胞就像一個超小型工廠,裡頭裝有各式各樣的奈米機器-蛋白質來執行各種工作,分別擔負起酵素、結構和訊號傳遞等等的功能。

而製造蛋白質的藍圖就編碼在 DNA 的序列內,透過轉錄出 RNA,再經由核糖體等轉譯出蛋白質,就像工程師到總部的資料庫拷貝出藍圖副本,再到工廠去用大型機械施工製造小機器一樣。簡單來說,許多疾病的根源,是來自於 DNA 藍圖在複製的過程中出了差錯,藍圖發生了變化而做出劣質的奈米機器。

想徹底了解健康問題,要先了解細胞的運作機制

因此,要瞭解許多困擾現代人的健康問題,從癌癌、過敏、糖尿病到老化等等,都要瞭解到細胞中到底出了啥狀況。新方法上可能從幾個方面下手:

一個是利用轉錄體學(transcriptomics)的方法,去定性和定量細胞表現出的 RNA。這就像商業間諜跑到工廠裡去收集工程師拷貝出來的藍圖副本有哪些,每種藍圖有幾份,從而估計奈米機器的種類和數量來推測一家企業的投資方向。

另一個方法是利用「表觀基因體學」(epigenomics)的方法,分析 DNA 及其纏繞的蛋白質上的化學修飾,就像間諜潛入企業總部去偷看哪些藍圖的卷宗從書架上取出打開了,從而推測哪些藍圖可能會被工程師拿去拷貝;或者直接用「蛋白體學」(proteomics)的方法監測蛋白質的種類和量。

這些方法都各有優缺點及局限性,一般上要科學家各憑本事用不同方法研究後才會得到可靠的結論。

上述方法過去受限於技術,科學家只能拿一堆細胞來玩,才有辦法取得足夠的分子進行實驗;另外,除了少數細胞的形態和位置容易被判斷,科學家一般要借助某類特定細胞獨特的分子標記來認出它們,可是往往又會發現帶來「獨特」分子標記的細胞群其實又能細分成有不同性質和功能。

此外,也有愈來愈多的研究發現,很多組織都是由異質性頗高的細胞組成,就連聲名狼藉的腫瘤,也由一堆不同細胞構成,如血管、淋巴管和免疫細胞。

因此如果無法把研究的對象精確地鎖定到單細胞的層次,就難以完全瞭解那些不同細胞之間的互動關係。還好的是,生命科學的進展一日千里,技術的發展和突破開始讓科學家能夠鎖定單一細胞來研究其分子和生化機制。

最新一期的《自然》(Nature)就為這個里程碑推出了一個特輯來探討這個進展和趨勢。

鎖定單一細胞來研究

越來越多的科學家正在跳入單細胞分析,跨越了細胞生物學、發育生物學、基因體學和生物資訊學的傳統領域。由於單細胞提供的 RNA 實在太少,我們需要更精準的實驗方法,並且犯錯空間更小,我們也將需要更複雜的分析工具,這有賴計算生物學家開發適合生物學家使用的軟體,才能讓單細胞研究普及 [1]。

一顆受精卵是如何一再分裂再分化形成千變萬化的各種各樣細胞的?能夠瞭解這複雜又精緻調控的過程是發育生物學家的夢想,不過我們離這目標還非常遠,因為單單要搞清楚哪些子細胞是從哪些母細胞分裂和分化而來,就很頭痛了。

除了一些實驗室裡經常被研究的細胞類型,我們人體的大部分細胞的親緣譜系還不那麼明確,科學家過去也只能從線蟲這種細胞數有限而且好養又透明的小動物身上,瞭解到成年線蟲身上 671 顆細胞的家譜。

有了一種稱作 CRISPR–Cas9 的基因體編輯技術,可以在細胞中製造特定的突變,科學家就可利用單細胞分析的技術追蹤它們的後代。西雅圖華盛頓大學的遺傳學家 Jay Shendure 等人,利用了這個方法成功地追蹤了斑馬魚的細胞家譜,結果他們發現有些器官大部分細胞僅來自胚胎發育早期的幾個細胞,例如 98% 的血球細胞僅來自一千個家譜中的五個 [2]。

當發育成熟後,我們擁有大量的不同細胞。哈佛大學和 MIT 的博德研究所、英國維康信託基金會去年就共同啟動了「國際人類細胞圖譜計畫」(Human Cell Atlas),目標以最新技術、由細胞層級重新描述和闡釋人類健康和疾病的定義。計畫內容包含重新定義與編列所有人體細胞類型及其子型、確認不同細胞類型在組織和人體中的分佈、區分細胞狀態、分辨細胞轉換過程的關鍵特徵、追蹤細胞譜系的歷史等。

博德研究所精力旺盛的 Aviv Regev 主持了這個野心勃勃的計畫 [3],找了 28 位科學家成立委員會主持超過 500 位科學家出席的研討會,並且得到臉書創辦人祖克柏夫婦主持的慈善基金會 Chan Zuckerberg Initiative 贊助。

Aviv Regev

然而,也有科學家質疑這個大型計畫對其他重要的計畫有人才和經費上的排擠效應,也有人懷疑單細胞技術的精準度真的夠高嗎?他們需要用精密的設備把細胞從組織中原封不動地中分離出來,然後把裡頭的 RNA 萃取出來送去定序,當鑑別出了細胞類型及其子型,還得透過複進的運算把細胞在人體和組織中的分佈位置給找到。

據以色列魏茲曼科學研究院的免疫學家 Amir Giladi 和 Ido Amit 的分析 [4],過去五年來已有超過廿家實驗室成功利用單細胞基因體技術,發現過去從未發現的免疫細胞,例如在腸道發現了不表現 T 細胞受器的 15 種先天性淋巴球亞型,和特定腫瘤生長時期有關的免疫細胞等等。他們最近也用了該技術在腦中發現了和疾病有關的新免疫細胞。

除了細胞間的關係,也有細胞內的運作

除了一系列報導和評論,《自然》當期也有一篇新研究論文示範了單細胞研究將如果讓我們窺視細胞內在的運作。

英國劍橋附近的巴布拉姆研究所(Babraham Institute)的永野高志(Takashi Nagano)等人,製作了 1,992 顆小鼠胚胎幹細胞的 Hi-C 圖譜,分析了小鼠細胞染色質(Chromatin)在分裂週期中的動態變化 [5]。

染色質是由 DNA 與蛋白質組合成的複合物,也是構成染色體的結構。Hi-C 的技術基本上是用化學的方法把 DNA 和蛋白質複合物固定後,利用化學標記把折疊在一塊的 DNA 捕捉下來再送去定序,能夠讓我們發現 DNA 在染色質中複雜的立體折疊關係 [6]。

結語

相信在不久的將來會有愈來愈多實驗室投入單細胞技術的研究。在細胞理論發展了近兩百年後,科學家終於能夠用新的技術解決許多舊的問題以及發掘新的研究方向,這些重大的突破相信未來會改寫不少生命科學領域的教科書,並且在生醫應用上開發出更出新產品,讓我們拭目以待吧!

參考資料:

1) Perkel, M. J. Single-cell sequencing made simple. Nature 547, 125–126 (06 July 2017) doi:10.1038/547125a

2) Callaway, E. The trickiest family tree in biology. Nature 547, 20–22 (06 July 2017) doi:10.1038/547020a

3) Nowogrodzki, A. How to build a human cell atlas. Nature 547, 24–26 (06 July 2017) doi:10.1038/547024a

4) Giladi, A. & Amit, I. Immunology, one cell at a time. Nature 547, 27–29 (06 July 2017) doi:10.1038/547027a

5) Nagano, T., et al. Cell-cycle dynamics of chromosomal organization at single-cell resolution. Nature 547, 61–67 (06 July 2017) doi:10.1038/nature23001

6) Beagrie, R. A. & Pombo, A. Cell cycle: Continuous chromatin changes. Nature 547, 34–35 (06 July 2017) doi:10.1038/547034a 


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