细胞像雪花，每个都是独特的

中国有个谚语：龙生九子，各有所好。即使是双胞胎，长相习性都有差别。个体变异或差异的现象早就深入人心。达尔文的《物种起源》中关于自然选择的理论就是从个体变异普遍性这个角度展开的探索。但是学术界过去对细胞分类上似乎没有这么去看，至少分类上是存在比较大的模糊性。似乎一类细胞都没有特异性。最近的研究表明，细胞和生物体一样，即使来自同一个细胞系，类型也各有不同，甚至每个细胞都是独特的个体。这一理念应该成为细胞学研究的信条。

细胞类型的问题在2013年对基因组生物学家杰森·布恩罗斯特洛变得清晰。他当时正在研究一个源自癌症患者的细胞系，试图绘制DNA在细胞核中的排列方式。他认为这些细胞应该几乎完全相同。但随着布恩罗斯特洛对DNA的进一步观察，他发现了越来越多的包装方式差异。“我意识到可能有成百上千种不同的类型，”当时还是加利福尼亚州斯坦福大学研究生的布恩罗斯特洛回忆说。

这一发现以及其他研究促使他得出结论：“每个细胞都是一片独特的雪花。”这个结论显著增加了他对某些癌细胞如何产生药物抗药性的研究复杂性。对于现在在马萨诸塞州剑桥市哈佛大学工作的布恩罗斯特洛来说，这意味着“所有这些雪花细胞实际上都可能很重要”。

尽管它们各自独特，但有实用的理由将相似的细胞归类在一起。“定义细胞类型对于理解新的生物现象、阐明潜在机制和识别治疗靶点至关重要，”中国科学院北京基因组研究所的生物信息学家张章说。

已经，构建庞大细胞图谱的项目产生了大量数据和对疾病的洞见。自2010年代中期以来，科学家们在分类细胞时大量依赖单细胞RNA测序技术，这种技术能够识别每个细胞激活了哪些基因，以将具有相似特征的细胞分组。跨国合作项目“人类细胞图谱”于2016年启动，已经分析了来自超过11,000人的9000多万个细胞，并正在努力构建18个不同的图谱，发表了440多项研究。

但在这一进展背后隐藏着一个看似简单的问题：究竟什么是细胞类型？

“细胞类型是一组彼此相似且与其他细胞群体不同的细胞，”华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所的神经科学家曾红奎提出。但即便是这个定义也留下了很多解释空间：如何相似？以何种方式不同？

问一打研究人员，你会获得同样多的不同答案。事实上，当《细胞系统》杂志在2017年进行这样的调查时，15名研究人员提出了截然不同的建议，指出发育历史、分子特征、形态或功能都可能是标识符。“辩论可能会非常激烈，”布恩罗斯特洛说。

也许这是因为这个问题触及了科学家对生命基本单位的基本概念的核心。一些研究人员拒绝接受细胞仅仅是基因表达总和的观点，正如基于RNA测序的图谱所暗示的那样。其他人则认为，必须考虑细胞随时间经历的各种状态。

但是大多数人都能同意一点，苏黎世联邦理工学院（ETH）的多细胞系统生物学家芭芭拉·特雷特尔说。“有一个普遍的共识，那就是这极其复杂。”

技术催生分类学

围绕核心定义的挣扎在细胞生物学中并不罕见：分类学家几个世纪来一直在争论“什么是物种？”而遗传学家在几十年前“一个基因制造一种蛋白质”的教条开始瓦解时不得不面对“什么是基因？”

在整个细胞生物学的历史中，细胞部分清单以多种形式出现，反映了当时的主导技术。大约在1900年，显微镜是王者，像西班牙组织学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔这样的研究者通过绘制细胞并根据外观将它们分组。例如，某些常见的星形脑细胞被称为星形胶质细胞。

由于分子生物学革命在20世纪中期加速发展，科学家们学会了根据有限的一套分子标记对细胞进行分类。因此，星形胶质细胞变成了产生胶质纤维酸性蛋白（GFAP）的细胞，这种蛋白可以通过用抗体染色细胞或用绿色荧光蛋白标记GFAP基因来轻松可视化。

接下来出现了单细胞RNA测序，这是一种方法，首次发表于2009年。如今，细胞制图师可能通过它们表达的大量RNA来定义星形胶质细胞——这种方法与使用比较基因组学理解物种进化的方式有相似之处。

但这些工具对星形胶质细胞的功能说得不多，其功能是支持神经元和突触。

大脑小脑部分的荧光显微照片显示了Purkinje细胞。

小脑中的Purkinje神经元（绿松石色），这是一个控制运动和其他功能的大脑区域。图片来源：Thomas Deerinck, NCMIR/Science Photo Library

试图按功能对细胞进行分类并不容易。一种经常以功能方式分类的细胞类型是神经元，它们通常根据释放的化学物质——如多巴胺或血清素——进行分类，北卡罗来纳州杜克大学的神经生物学家安妮·韦斯特说。但许多神经元产生相同的神经递质；例如，科学家在2000年代中期曾就产生GABA神经递质的中间神经元有多少种类型进行了辩论；估计范围从四种到更多、更多。韦斯特预计，通过在整个大脑中进行的单细胞和RNA表达的持续工作将帮助该领域就一个数字达成一致。

尽管如此，哈佛大学的神经生物学家约书亚·桑恩斯表示，原则上，细胞功能可能是定义细胞类型的最好方法。特雷特尔补充说，细胞功能的一部分是其对环境的反应。在活组织中，细胞不断暴露于可能影响它们的信号，如代谢物、激素或病原体。“只有当你也知道它如何反应时，你才能真正知道一个细胞是什么类型，”特雷特尔说。“这些状态，加在一起，会告诉你它是什么。”

她建议未来阶段的细胞图谱应包括细胞对这些变化的反应——例如，细胞如何改变其发育轨迹以响应药物治疗。

不幸的是，对于许多细胞类型而言，细胞反应和功能并不明显，可能是暂时的特征。弄清楚这些需要时间，而且当细胞从整个生物体转移到实验室的培养皿中进行集中研究时，细胞功能经常会发生变化。

这迫使研究人员采用更实用的细胞分类标准，并解释了标准化分子方法的主导地位——主要是单细胞RNA测序，还有布恩罗斯特罗等人开发的检查DNA包装的方法，以及将这些分子标记与细胞在组织中的位置联系起来的空间方法。通过结合这些方法，“我们真的重新定义了什么是一个细胞类型”，英国剑桥大学的基因组生物学家和生物物理学家莎拉·泰希曼说，她是“人类细胞图谱”项目的联合主席。

有地图，就能旅行

这种新的分子方法产生了令人兴奋的结果，有望重写细胞生物学家对人体所知的大部分内容。实际上，尽管科学家曾经估计人体内大约有200种细胞类型，去年曾红奎及其同事仅在小鼠大脑皮层就鉴定出5000多个基于RNA的簇——因此潜在的细胞类型。

专注的努力也在发现新类型，即使是在已经深入研究的组织中。例如，大约10年前，桑恩斯及其同事开始用单细胞RNA测序调查小鼠视网膜中的细胞类型。当时，科学家估计约有65种；新的分析至少发现了130种。在此之前，研究人员可能错过了较罕见类型或非常相似类型，这是分子方法可以区分的，桑恩斯建议。桑恩斯和他的合作者现在正在比较不同物种的视网膜图谱。

细胞图谱也直接影响医学调查。两个独立的研究团队发现了一种罕见的、新的细胞类型，可能涉及囊性纤维化；另一个团队绘制了心脏起搏器的轮廓和地图。

在COVID-19大流行期间，许多图谱研究人员转向对病毒SARS-CoV-2的研究，加州南旧金山生物技术公司Genentech的研究和早期开发负责人、计算和系统生物学家阿维夫·雷格夫说，他是“人类细胞图谱”的联合主席之一。研究发现了多种易受感染的细胞类型，并展示了它们的细胞反应是如何与其他疾病中的反应相映成趣或不同的。

雷格夫表示，Genentech已经在药物开发中使用了细胞图谱数据。例如，一个团队正在测试一种针对肺部疾病的药物，该药物与肺部细胞中发现的一种受体结合。但是，通过浏览细胞图谱，研究人员发现肠道中更多与炎症性肠病相关的细胞中也存在相同的受体。这促使他们对该疾病进行同样的药物治疗测试。没有这个资源，他们永远不会注意到这种相似性，雷格夫说。

更深入的定义

除了追求疗法和希望编制身体的清单之外，细胞类型问题还涉及到一个更深层次的困境：生命的基本单位是什么？

“我会说大致上有两个阵营，”纽约大学兰贡健康系统生物学家伊泰·亚奈说。“一个阵营关注细胞，另一个阵营关注基因。”

坚定站在细胞阵营中的一个人是西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚研究院发育生物学家阿方索·马丁内斯·阿里亚斯。他说，单细胞RNA测序创造了一个以基因为中心的视图，使科学家忽视了其他问题。“我认为一个细胞远不止它所包含的RNA总和，”马丁内斯·阿里亚斯说。例如，当他在培养皿中培养细胞来模拟早期胚胎时，2D培养物的RNA轮廓与3D类器官几乎没有区别，即使3D版本具有非常不同的结构和组织。

然而，对于像亚奈这样的科学家来说，基因是生命的基本单位，而细胞是这些基因的表现。因此，通过RNA对细胞类型进行分类是有意义的：“你告诉我哪些基因是开启的，我告诉你是什么细胞类型，”他说。例如，他说，皮肤中的色素制造细胞——黑素细胞，表达特定的“黑素细胞模块”基因。

小肠的荧光显微照片。小肠的绒毛有助于从食物中吸收营养。

亚奈说，定义细胞类型的另一个标准是查看基因组在细胞核中的物理状态——基因组如何形成环和卷曲，使一些基因可访问而将其他基因隔离，并控制哪些基因可用于转录。

但即使这种基因组排列也受到其他上游基因和蛋白质的控制。这些调控分子是否可以被认为是细胞类型的真正根源？奥地利维也纳大学的进化生物学家冈特尔·瓦格纳这么认为。

瓦格纳和他的同事有一个理论：细胞类型由称为“核心调控复合体”或CoRC的大型转录因子和其他分子复合物控制。这一大团协作的调节器会拉动DNA弦，打开一些基因并抑制其他基因，从而确定染色质排列、RNA轮廓——以及细胞类型。瓦格纳说，已经为少数几种细胞类型定义了CoRCs，如神经细胞和血细胞，但目前还不清楚这个概念的普遍适用性如何。他怀疑CoRCs会比基于单细胞分析的聚类定义出更短的细胞类型列表。

CoRC “有点像你在寻找的独角兽，用于定义什么是细胞类型”，康奈尔大学伊萨卡分校植物系统学家杰夫·多伊尔说。他在某些植物细胞图谱中看到了它们的暗示。

至于当前对RNA测序的关注，泰希曼承认批评者有道理。“当然，细胞类型不仅仅是RNA轮廓，”她说。她指出，人类细胞图谱计划纳入不同的细胞分型方法；RNA分析只是第一个变得可以在规模上管理的方法。并且她说，这种方法之所以强大，是因为RNA反映了细胞生物学的其他方面，包括染色质的排列和其蛋白质补充物。

时间和状态

细胞类型通常根据细胞的当前身份来描述。但是，华盛顿大学圣路易斯医学院干细胞生物学家萨姆·莫里斯说，细胞的过去和未来同样关键。即使是看似稳定的细胞身份也可能有变成不同类型——比如免疫细胞激活以对抗感染——或者在某些条件下变成癌症或患病的潜力。

当然，细胞的过去对发育生物学家来说深具兴趣，他们研究一个细胞如何分裂和多样化以产生首先是一个胚胎然后是一个完整的生物体。这就是为什么细胞类型的最终表示应该是一个树状结构，根植于身体的第一个细胞并以成熟类型结束在分支尖端，西雅图华盛顿大学发育遗传学家杰伊·申杜尔认为。他说，图谱中的零件列表“低估了时间的概念和连续性的观念”。

研究人员开始创建将支撑这些树状结构的数据。例如，在今年的一项研究中，申杜尔和他的同事们追踪了小鼠胚胎从早期发育到出生及之后的单细胞转录组。他们发现在出生后一小时内表达的RNA发生了重大变化，这可能是因为动物必须适应子宫外的生活13。

然而，通过发育谱系追踪细胞类型也有其自身的问题。有时看似相同的类型可以通过不同的轨迹产生。目前还不清楚如何对中间形态进行分类。“我仍然认为有一个问题是，细胞身份是连续的属性还是离散的属性？”莫里斯说。

还有一个更短暂的细胞属性，叫做细胞状态，需要考虑。一个细胞的类型可以保持一致，而其状态则可能发生根本变化：比如说，从新生到准备下一次细胞分裂，或从静止到激活。区分临时的细胞状态和真正的细胞类型可能非常具有挑战性，张说。

同意与不同意

如果不同的技术不以相同的方式对细胞进行分类，而且每个细胞在最精细的层面上都是个体，那么什么是细胞类型？

如果这个概念看起来仍然模糊，那应该是这样的，马萨诸塞州波士顿哈佛医学院的系统生物学家阿隆·克莱因认为。他说，这个概念可以同时是“极其有用且定义不清”的。

这是因为最终，没有简单的真相可寻。自然并没有像人类工程师那样创建一个整洁的部分列表，任何划分类别的努力在某种程度上都是人为的。对于分类学家定义物种的努力也是如此：问题从未真正消失，克莱因说，但随着遗传数据涌入，答案在演变。克莱因认为细胞生物学中也会发生类似的事情。

研究人员已经在提出更细微的方式来接受和解释细胞变异。Buenrostro和Regev开始将细胞视为特定类型的成员较少，而是更多地基于给定细胞在给定时间运行的模块或途径的集合。因此，一个细胞可能在运行一个稳定的“成纤维细胞”程序，并叠加“激活以修复伤口”和“细胞分裂”的状态。

对给定研究者重要的模块将取决于他们的兴趣和观点。这就是为什么“细胞图谱”的比喻如此贴切，Regev说。就像地理图谱结合了自然特征、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身份——无论用户的观点如何，或者他们将前往何处。