人类四肢是如何长出来的

把鸡胚胎里形成前肢的细胞团切下，移植到背部，竟然能够长出完整的翅膀；去除成年蝾螈的腿，它能够很快再生，即使在切除8次到10次之后，依然能长出新的腿，且几乎看不出伤痕。然而，包括人在内，大多数哺乳动物却在进化过程中丧失了这种成年后再生能力。

近日，中山大学中山医学院教授张宏波课题组在英国《自然》杂志发表论文，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。

该成果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，乃至更广泛的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。

在这项研究中，张宏波团队与合作者试图回答两个关键问题:肢体细胞的发展是如何决定的？例如，为何原本一样的细胞，有的后来变成了纤维细胞，有的成为骨骼的一部分？细胞的空间位置又是如何决定的？例如，一只正常发育的手为什么是5根手指，为什么大拇指的方向跟其他4根手指不一样？

探秘生命科学底层问题

张宏波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。

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。

为什么人的四肢切除后就不能再生长？在张宏波看来，肢体建成的时空调节机制是一个经典的发育生物学难题。发育与再生本质上具有相似性，如果能够加深对发育的理解，就可能对四肢的再生建构起本质上的前提和基础。

“对这一过程的任何微小扰动都可能产生显著的下游效应。”论文共同第一作者、张宏波团队博士后王帅玉发现，四肢发育异常是全球报告最多的出生综合征之一，全球大约每500名新生儿即可发现一例。

单细胞技术为揭秘创造可能

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。

以往，科学家只能追踪某一种细胞的发育路径，比如肌肉细胞、骨细胞的命运，顶多同时追踪两到三种细胞，无法看到所有细胞的命运是如何演化的。而对于细胞的空间位置决定，科学家通过对胚胎做切片，然后进行单一或少数细胞染色，了解到的基因数量十分有限。

而单细胞转录组技术和单细胞空间转录组技术的发展，使得探秘细胞演化过程成为可能。

演化的过程如何调控？张宏波认为，这依赖于细胞之间非常迅速而精确的协调。他说，在发育过程中，人类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。

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。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，他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(多余的手指或脚趾)等发育异常的现象。”张宝说。

再生医学更多应用未来可期

“我们关注的是细胞命运的两极，也就是发育和衰老，现正在慢慢打通中间的环节。”张宏波透露，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，将使其未来应用成为可能。例如，间充质干细胞和成纤维细胞因其具有变成多种细胞的能力，在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，就要对细胞发育、生长有更多的认识。认识得越多，就越可控。”张宏波说。

据悉，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、Peng He、John Lawrence(Sarah Teichmann课题组博士生)、王帅玉为该论文共同第一作者。