單細胞測序技術應用于發(fā)育生物學研究登頂三大學術雜志

2019年即將結束，在這一年中，單細胞測序的火熱充分展示了該技術在科學研究領域的重要。發(fā)育生物學作為生命基本過程研究的基礎學科，單細胞測序技術是該領域研究突飛猛進的助推器。在這300多個日夜里，科學研究成果殿堂《Cell》、《Nature》、《Science》上有哪些發(fā)育生物學的成果跟單細胞技術相關呢？

圖1 小鼠胚胎發(fā)育過程單細胞譜系重建結果

在皮質發(fā)生過程中，不同類型神經元亞型依次從腦室祖細胞中誕生而來。但是，這些細胞產生的分子時間軸還不是很了解。來自日內瓦大學的研究人員利用高時間分辨率的單細胞轉錄組測序方法，追蹤了小鼠胚胎中頂尖祖細胞（APs）及其子代神經元的分子譜系特征。研究人員鑒定到了一組核心的進化保守的，具有時間規(guī)律，促使AP從內部驅動到更強的感受態(tài)的一類基因。其中，PRC2從表觀遺傳上調控AP的時間進展。胚胎年齡依賴性的AP分子狀態(tài)作為連續(xù)的基態(tài)傳遞到其子代，作用于早期有絲分裂后分化程序，并由后來出現(xiàn)的環(huán)境依賴性信號加以補充。因此，在有絲分裂后的子代中，前體細胞中存在的表觀遺傳調控的時間分子印記為成年神經元的多樣性播下了種子。

圖2 新生皮層中不同分化階段的細胞多樣性

 

3.《Cell》: 靈長類視網(wǎng)膜中中央凹和周邊細胞的細胞分類研究[3]
 

靈長類動物（包括人）的高敏視力是由稱為中央凹的中央視網(wǎng)膜小區(qū)域決定的。由于常規(guī)生物模型缺乏中央凹，其在眼病中的特異功能及功能障礙目前知之甚少。來自哈佛大學的研究人員利用165,000個獼猴中央凹和周圍視網(wǎng)膜細胞的單細胞轉錄組數(shù)據(jù)，進行了全面的細胞分類研究。結果顯示，大于60個細胞的細胞類型有80%在兩個區(qū)域中都存在，但是在比例和基因表達上存在顯著差異，其中一些與特定功能相關。與小鼠相比，獼猴的視網(wǎng)膜細胞類型中，中間神經元類型高度保守。但是，兩者中的保守轉錄因子，映射到的神經元細胞類型和過程卻有所不同。借助獼猴和人的高度保守，該研究繪制了與人的7種視網(wǎng)膜疾病相關的基因的特征細胞類型和表達特征。

圖3 實驗設計及細胞類型總圖

肝臟是一個非常重要的多功能器官。人類目前面臨著肝病發(fā)病率不斷上升，治療選擇又有限的現(xiàn)狀。然而，現(xiàn)在對于肝臟細胞的組成仍然知之甚少。來自馬普學會免疫生物學和表觀遺傳系的研究人員通過9位正常肝組織供體的10,000個單細胞轉錄組測序，構建了人類肝臟細胞圖譜。通過數(shù)據(jù)分析，研究人員鑒定到了先前未知的基于轉錄特征的內皮細胞，Kupffer細胞，肝實質細胞亞型。結果顯示，EPCAM+群體是異質性的，包括肝細胞和膽管細胞群體，以及具有TROP2^int形成肝組織的原代群體。利用圖譜數(shù)據(jù)，研究人員揭示了在肝組織癌細胞以及移植到小鼠肝臟中的人類肝細胞和肝內皮細胞中發(fā)生的表型變化。

圖4 成年人肝臟單細胞結果亞群分類
 

5. 《Cell》：人類心臟空間轉錄圖譜研究[5]
 

人類心臟形態(tài)發(fā)生的過程還不是非常了解，它的完整特征要求深入研究具有單細胞空間分辨率的基因表達數(shù)據(jù)。通過利用空間轉錄組和單細胞轉錄組測序，來自英國皇家理工學院的研究人員揭示了在三個發(fā)育階段胚胎心臟的細胞類型的轉錄圖譜，并將細胞類型特異性基因表達映射到特定的解剖結構域上。該研究通過空間轉錄組測序確定了與每個發(fā)育階段中不同的解剖區(qū)域相對應的獨特基因譜。通過單細胞RNA測序鑒定了人類胚胎心臟細胞類型，證實并豐富胚胎心臟基因表達的空間注釋。然后使用原位測序來完善這些結果，并為三個發(fā)育階段創(chuàng)建空間亞細胞圖。最后，研究人員生成了可公開訪問的網(wǎng)絡資源（https://hdca-sweden.scilifelab.se/a-study-on-human-heart-development/），以促進人類心臟的未來研究。

圖5 心臟圖譜研究實驗設計

6. 《Nature》：小鼠內胚層發(fā)育圖譜研究[6]

紀念斯隆·凱特琳癌癥中心的研究人員為描述哺乳動物個體內胚層發(fā)育過程，選取了小鼠胚胎早期到妊娠中期內胚層細胞，拿到了共112,217個單細胞轉錄組測序數(shù)據(jù)。利用基于graph-based分析方法，研究人員對分化過程細胞進行了發(fā)展時空軌跡建模，定義了第一個（原始或胚外）內胚層及其姊妹多能（胚）上皮細胞系出現(xiàn)的轉錄模式。該研究揭示了這兩個世系細胞的后代之間的關系：胚芽形成之前和過程中，外胚層細胞在兩個不同的時間點分化為內胚層。該研究觀察到了細胞沿著突出腸管前后軸的區(qū)域化特征，反映了它們的胚胎或胚胎外起源，以及它們在器官特異性區(qū)域的坐標模式。

先天性心臟缺陷是最常見的畸形，是由心臟祖細胞部分子代細胞的破壞造成的，但是單個祖細胞的轉錄變化如何導致器官水平缺陷還不清楚。來自格拉德斯通心血管疾病研究所的研究人員利用單細胞轉錄組測序分析了早期心臟祖細胞在正常和異常情況下的轉錄特征。這項工作揭示了確定單個心臟祖細胞中命運和分化的轉錄決定因子，并揭示了單細胞分辨率下心臟發(fā)育受阻的機制，為研究先天性心臟缺陷提供了框架。

 

組織駐留的免疫細胞對于器官的穩(wěn)態(tài)和防御很重要。來自劍橋大學醫(yī)學系的研究人員利用單細胞RNA測序來解決人腎臟的時空免疫圖譜。該研究全面概述了人類腎臟的免疫格局如何應對主要的免疫挑戰(zhàn)。

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參考文獻
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10. Stewart, B.J., J.R. Ferdinand, M.D. Young, et al., Spatiotemporal immune zonation of the human kidney. Science, 2019, 365(6460): 1461-1466.