话四 | 单细胞测序在细胞生物学中的位置

2024-06-13 18:24:51 浏览数 (1)

赛尔,你好。

每年的六月,我们都难以忘怀,因为这里有我们深深的记忆。这一月,风吹麦浪,夏季芒种。这一月,鱼跃龙门,高考必中。窗外格外安静,仿佛连花开之声都小心翼翼地有意低音。

作家路遥说:人生之路,曲折漫长,但关键处就那么几步。

在第四封信里,刚好也想和你谈谈单细胞测序的大问题、大方向、大背景。正所谓“知其史方能激其志”。2017年以来,仿佛一切生物皆可做单细胞测序,去刻画细胞图谱,去发现细胞类型,去寻找调控关系,去寻找跨物种的细胞类型保守性。

当我们老了,回首这段单细胞测序被广泛用于所有细胞、所有组织、所有生物的时光,将会有怎么样的历史感觉,是拿着锤子看什么都是钉子冒进,还是产生数据而缺少解读的局促?

当我们在单细胞数据的海洋里遨游,偶尔抬头看看海面的辽阔星空,我想一定会有惠风和畅,神清气爽的新感受。做单细胞测序的老黄牛,既要低头拉车,也要抬头看路。笔画至此,不禁想起臧克家的

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老黄牛
块块荒田水和泥,深翻细作走东西。
老牛亦解韶光贵,不待扬鞭自奋蹄。

我们知道,细胞生物学得益于显微镜技术的发明发展,发轫于斯莱登和施旺提出的细胞学说,它的基本内容是

1.细胞是一个有机体,一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成。 2.所有细胞在结构和组成上基本相似; 3.新细胞是由老细胞分裂产生的; 4.生物的疾病是因为其细胞机能失常。 5.细胞是生物体结构和功能的基本单位。 6.生物体是通过细胞的活动来反映其功能的。 7.细胞是一个相对独立的单位,既有它自己的生命,又对与其他细胞共同组成的整体生命起作用。

细胞学说的建立,显微镜的发明功不可没,自那以后,细胞生物学的主要进展常常是引进新技术的结果。有三门主要的技术让细胞生物学日益繁荣直至今日。

  • 细胞成像为基础的 细胞学(cytology) ,细胞生物学的发源地、母亲河,自今在细胞生物学的展会上还能看到大量以成像、原位、染色技术为主的供应商。
  • 以有机化学为基础的**生物化学(biochemistry)**,核酸、蛋白、糖类、脂类等生物大分子在细胞间和细胞内的结构与功能研究曾是20世纪细胞生物学研究的重点,集大成着如各种生物通路数据库(KEGG/GO)的建立。我们熟悉地看到定量细胞分子信息的抗体和流式、质谱技术。
  • 以基因组学为基础的**遗传学(genetics)**,从孟德尔种下第一颗豌豆算起,经历中心法则,到现代的单细胞多组学。

细胞学、生物化学、遗传学在细胞生物学的历史上次第花开,虽然在不同时代背景下研究各有侧重,但是他们之间并不是彼此割裂的,而是相辅相成,直到今天仍然是拧成一股绳,成为细胞生物学工具箱里,最为宝贵的研究利器。

在这个框架下,单细胞测序在细胞生物学中的历史位置,就显得格外明朗了:它属于遗传学这个大范畴之内的。这我们就不难理解,或强行理解:为什么单细胞测序技术最初的应用领域是生殖发育;也不难理解,为什么单细胞测序以转录组为主;也不难理解,单细胞测序为什么和细胞成像、生物化学的结合如此地紧密了。

细胞是生物体结构和功能的基本单位,多细胞生物中不同类型的细胞含有相同的DNA。基于此,我们可以回答到底什么才是一个细胞类型(cell type)? 答案是:一个稳定的转录调控网络,一个表观遗传表现稳定的细胞簇。

1673的某一天,列文虎克将观察记录材料整理成《列文虎克用自制的显微镜观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录》,寄给英国皇家学会。这一场景,就像在某个侧面就像单细胞测序得到待发表的细胞图谱。

当我们把手中的单细胞数据放在细胞生物学的历史长河中,它就不再是简单的稀疏矩阵,我们所写的每一行处理数据的代码,也添加上历史的温度。在这封信的最后,我想引用《高观点下的初等数学》中一句话,与君共勉:

“保持一流大师的遗风:回到固有的生动活泼的思考,回到自然!”

你的运来 20240608 于南京

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