从受精卵到完整的人体，我们的四肢是如何发育的？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，发布首个人类肢体发育单细胞时空图谱，解析胎儿四肢的细胞演变路径和细胞空间位置决定过程。

该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《自然》杂志（Nature）上发表的论文。受访者供图

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？比如，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？细胞的空间位置如何决定？比如，一只正常发育的手为什么是五个手指，为什么大拇指的方向跟其它四根手指不一样？

“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说，“四肢发育异常是全球报告最多的出生综合症之一，全球大约每500个新生儿即可发现一例。”

在细胞命运决定这个问题上，过去，科学家往往只能追踪某一种细胞的发育路径，无法看到所有细胞的命运是如何演化的。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了可能。

张宏波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。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。

人类肢体发育单细胞图谱的构建及细胞类型的时空分布。受访者供图

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，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（手指或脚趾短）和多指（多余的手指或脚趾）等发育异常的现象。”

据张宏波介绍，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。

张宏波在实验室。受访者供图

据悉，中山大学张宏波、英国Sanger 研究所Sarah Teichmann为该论文共同通讯作者。张宝，Peng He（Sarah Teichmann课题组博士后）、John Lawrence（Sarah Teichmann课题组博士生）、王帅玉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。

(责编：宁玉瑛、张永生)