《SCIENCE ADVANCES》：Allometry of cell types in planarians by single-cell transcriptomics
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在生物學研究中，細胞類型異速生長的探索尚淺。研究人員運用單細胞 RNA 測序（scRNA-seq）對不同大小的無性渦蟲展開研究。結果發現不同大小渦蟲細胞類型相同但比例有差異，且鑒定出相關基因模塊。該研究為細胞異速生長研究提供新視角。
在生命科學的宏大版圖中，細胞作為構成生物體的基本單元，其奧秘始終吸引著科研人員不斷探索。一直以來，研究人員都知道生物體各部分與整體大小之間存在著某種緊密聯系，這便是異速生長（Allometry）的研究范疇。它對理解生態學、生理學、新陳代謝以及疾病等諸多方面意義重大。比如著名的克萊伯定律（Kleiber law），就揭示了新陳代謝與生物體大小之間的定量關系。然而，當深入到細胞層面，細胞類型的異速生長卻像是一片未被充分開墾的處女地。雖然細胞可以依據形態、功能或基因表達模式進行分類，但細胞類型的確切定義在科研界仍存在諸多爭議。而且，大多數細胞類型如何隨生物體大小變化，這一問題依舊迷霧重重。此前，雖有利用形態學細胞類型分類和標記的研究，但往往局限于少數細胞類型，難以全面揭示細胞類型異速生長的全貌。
為了揭開這片迷霧，來自未知研究機構的研究人員踏上了探索之旅。他們選擇渦蟲作為研究對象，開展了一項極具創新性的研究。渦蟲這種神奇的生物，有著獨特的生長和退化能力，它們在攝食時生長，饑餓時退化，并且這些過程都遵循異速生長的規則。研究人員運用單細胞 RNA 測序（scRNA-seq）技術，對不同大小的無性渦蟲進行深入研究。最終，他們收獲了一系列令人矚目的成果，相關研究發表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究人員在開展研究時，主要運用了以下幾種關鍵技術方法：首先是 ACME（acetic - methanol）固定細胞解離法，這種方法能夠有效減少細胞解離過程中的應激反應和偏差，避免細胞死亡和差異存活。其次是 SPLiT - seq（Split pool ligation - based single - cell transcriptome sequencing）技術，它可以實現樣本的多重標記，在同一實驗中對不同大小的渦蟲進行分析，極大地減少了批次效應。此外，研究人員還借助了熒光激活細胞分選（FACS）技術，在實驗過程中有效去除細胞聚集體、破碎細胞和細胞碎片，提高實驗樣本的質量。
下面讓我們深入了解一下研究的具體結果：
- 單細胞方法助力研究渦蟲細胞類型異速生長：研究人員精心挑選不同大小的無性渦蟲，通過視覺觀察和低分辨率圖像測量對其進行分類，最終確定了大（L）、中（M）、�。⊿）三個大小類別。隨后，他們運用 ACME 解離細胞，并借助 SPLiT - seq 技術進行單細胞 RNA 測序。這一流程使得他們能夠在一次實驗中對不同大小的渦蟲進行分析，為后續研究奠定了堅實基礎。
- 構建渦蟲細胞類型圖譜，解析細胞比例：對 SPLiT - seq 測序數據進行深入分析后，研究人員構建了渦蟲的細胞類型圖譜。在這個圖譜中，他們成功識別出約 64 個細胞群體，涵蓋了多種已知的渦蟲細胞類型，如不同類型的肌肉細胞、表皮和消化管細胞的分化狀態，以及多達 17 種神經元細胞群體等。同時，他們還發現不同細胞群體的平均計數和基因數量存在差異，且這些差異具有生物學意義。
- 不同大小渦蟲的細胞狀態差異：研究人員進一步探究不同大小渦蟲是否存在細胞狀態的差異。通過 UMAP 空間分析和 Milo（一種利用 kNN 圖進行差異豐度測試的統計框架）分析，他們發現渦蟲的表皮和基底細胞中存在一些區域，其細胞狀態在不同大小的渦蟲中存在差異，這表明不同大小的渦蟲存在細胞狀態的差異。
- 確定渦蟲由相同細胞類型構成：為了明確不同大小渦蟲的細胞類型組成，研究人員進行了深入分析。結果發現，除了極少數稀有細胞簇外，大、中、小三種大小類別的渦蟲均包含所有細胞簇。這充分說明，不同大小的無性渦蟲本質上是由相同的基本細胞簇構成的。
- 揭示渦蟲細胞類型比例差異：在明確渦蟲細胞類型組成后，研究人員對不同大小渦蟲的細胞類型頻率進行分析。通過卡方檢驗等方法，他們發現不同大小渦蟲的細胞類型比例存在顯著差異。例如，小渦蟲中神經元的比例較高，而大渦蟲中實質細胞、表皮細胞等的比例較高。而且，單細胞轉錄組學技術展現出高分辨率的優勢，能夠在細胞簇層面檢測到更細微的差異。
- 解析不同大小渦蟲細胞類型與解剖特征的關系：研究人員還深入探究了細胞類型與渦蟲解剖特征之間的聯系。他們發現，小渦蟲中頭部細胞類型（如神經元和某些分泌細胞）更為豐富，而大渦蟲中腸道和實質細胞類型則更為富集。通過定量聚合酶鏈反應（qPCR）等實驗驗證，進一步證實了這一結論。
- 發現小渦蟲體壁和體緣細胞類型的特點：與其他研究結果對比時，研究人員發現小渦蟲不僅頭部細胞類型豐富，其體壁和體緣的細胞類型也有所增加。這一發現進一步豐富了對不同大小渦蟲細胞類型差異的認識。
- 鑒定細胞類型特異性的大小相關基因模塊：最后，研究人員聚焦于細胞類型的基因表達模式是否會隨動物大小變化。通過構建偽批量（pseudobulk）計數表并進行差異基因表達分析，他們發現表皮細胞和基底細胞對動物大小的變化反應最為動態，且各自具有獨立的基因模塊。這一發現為深入理解細胞類型異速生長的分子機制提供了關鍵線索。
綜合上述研究結果，研究人員成功揭示了無性渦蟲細胞類型異速生長的基本規律。他們發現不同大小的渦蟲由相同細胞類型組成，但比例不同，且細胞狀態和基因表達模式也存在差異。這一研究成果具有多方面的重要意義：在技術層面，證明了 ACME 和 SPLiT - seq 相結合的單細胞轉錄組學方法在研究細胞類型異速生長方面的強大能力，為后續在其他生物體中的研究開辟了新途徑；在生物學理論層面，加深了人們對細胞類型和細胞狀態定義的理解，為發育生物學研究提供了新的視角；在細胞功能研究方面，對基底細胞等細胞類型的深入研究，為探索其在能量儲存等生理過程中的作用提供了方向。這項研究就像一把鑰匙，開啟了細胞尺度奧秘之門，為生命科學的發展注入了新的活力，讓我們對生物體的生長發育機制有了更深入的認識。
