在所有细胞研究中，有一个看似简单而基础，却被证明相当难以量化和回答的问题，那就是，我们的细胞是如何组织它们的内部结构的？

撰文 ｜Måka

想象一下，你的办公室里有数百件不同家具，所有这些家具都可能要随时取用，许多家具还要能自由移动，或者根据它们的功能进行“拼装”“拆分”等等的互动。

现在再发挥一下想象力，你的办公室其实是一个被薄膜包围的液体囊袋，而这数百件家具中的许多是更小的液体袋。这简直是室内设计的噩梦。

这恰恰正是我们细胞里的情况。在所有细胞研究中，有一个看似简单而基础，却被证明相当难以量化和回答的问题，那就是，我们的细胞是如何组织它们的内部结构的？

今日，科学家首次提出了一种新方法来研究这个问题。艾伦细胞科学研究所的团队通过使用数十万张高分辨率图像，对人类细胞的内部组织进行了统计。

通过这项研究，科学家捕捉到了大量有关细胞形状变化的细节，这些形态变化即使是在相同条件下生长的有着相同基因的细胞也会出现。论文已发表在《自然》杂志上。

细胞的组织方式透露了它们的行为和身份信息。当科学家试图了解细胞在健康和疾病中如何变化时，这个领域一直缺少的是一种处理这种组织方式的严格方法。

在一项于七年多前启动的研究中，团队首先建立了一个干细胞集合，这些细胞在经过了专门的基因工程改造，可以在荧光显微镜下照亮不同的内部结构。在获取了标记了25个单独结构的细胞系后，他们捕获了超过20万个不同细胞的高分辨率三维图像。

荧光标记的基因编辑细胞。（图／艾伦细胞科学研究所）

科学家想知道，所有这些微小的细胞结构是如何排列的？某一个结构会一直待在同一个地方，还是随机的？

在解答这些问题时，团队遇到的挑战之一，便是比较两个不同细胞之间相同的结构。即使是同一类型的细胞，每个细胞看起来也都不一样。即使一些细胞在基因上是相同的，并且在相同的实验室环境中培育，但它们的形状却仍可以相差甚远。

这些情况让科学家意识到，如果一个细胞短而圆，另一个是长梨形的，就不可能比较这两个不同细胞中同一结构的位置。因此，他们给那些短而圆和长梨形的都加上了数字。

利用计算分析，团队开发了一种“形状空间”的概念，用它来客观描述每个干细胞的外部形状。形状空间包括8个不同的形状变化维度，比如高、体积、伸长度，以及恰如其分的“梨形”和“豆形”。然后，科学家可以将同类进行比较，观察所有类似形状的细胞内部的结构组织。

他们还研究了25个被标记的结构的位置，然后在具有相似形状的细胞组中对这些结构进行了比较，结果发现，尽管细胞形状产生了巨大的变化，但它们内部组织结构却惊人地一致。

这就好比，如果你开启了“上帝视角”观察一栋高层办公楼里成千上万的白领如何排列他们的家具，发现每个人都把他们的桌子放在了办公室中央，文件柜恰好都在最左边的角落里，无论办公室的大小或形状如何都是如此。而就在这时，如果你注意到有一间办公室里的文件柜倒在地上，文件散落一地，你可能会意识到，这间办公室和它的使用者出了些状况。 

细胞也是如此。发现偏离正常状态的情况，可以给科学家提供重要的信息，了解细胞在从静止过渡到移动、准备分裂时的变化，或者了解在疾病中微观层面上出了什么问题。

了解细胞结构的平均位置，以及它们偏离这种平均位置的变化，将帮助科学家更进一步了解可能预示着单个细胞疾病或状态改变的结构变化。（图／艾伦细胞科学研究所）

研究人员观察了他们数据集中的两种变化，分别是细胞群边缘的细胞，以及正在进行有丝分裂并创造出新的子细胞的细胞。在这两种状态下，科学家能够发现与细胞的不同环境或活动相关的内部组织变化。 

我们已经知道，在生物学中，形状和功能是相互关联的，了解细胞形状对认识它们的功能很重要。这项研究为生物学家提供了一份路线图，以可衡量的、定量的方式，了解不同种类细胞的组织方式，它还揭示了细胞的一些关键组织原则。了解细胞在健康条件下如何组织自己，以及“正常”中所包含的全部变化范围，可以帮助科学家更好地了解疾病中的问题所在。

这项研究的图像数据集、基因工程干细胞和代码都是公开的，供科学界其他研究人员使用。这种方法可以推广到几乎任何细胞。研究人员表示，他们期望更多人采用这种方法，在这项研究的基础上提出以前无法提出的细胞生物学问题。

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