單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)應(yīng)用于發(fā)育生物學(xué)研究登頂三大學(xué)術(shù)雜志

2019年即將結(jié)束，在這一年中，單細(xì)胞測(cè)序的火熱充分展示了該技術(shù)在科學(xué)研究領(lǐng)域的重要。發(fā)育生物學(xué)作為生命基本過(guò)程研究的基礎(chǔ)學(xué)科，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)是該領(lǐng)域研究突飛猛進(jìn)的助推器。在這300多個(gè)日夜里，科學(xué)研究成果殿堂《Cell》、《Nature》、《Science》上有哪些發(fā)育生物學(xué)的成果跟單細(xì)胞技術(shù)相關(guān)呢？

圖1 小鼠胚胎發(fā)育過(guò)程單細(xì)胞譜系重建結(jié)果

在皮質(zhì)發(fā)生過(guò)程中，不同類(lèi)型神經(jīng)元亞型依次從腦室祖細(xì)胞中誕生而來(lái)。但是，這些細(xì)胞產(chǎn)生的分子時(shí)間軸還不是很了解。來(lái)自日內(nèi)瓦大學(xué)的研究人員利用高時(shí)間分辨率的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序方法，追蹤了小鼠胚胎中頂尖祖細(xì)胞（APs）及其子代神經(jīng)元的分子譜系特征。研究人員鑒定到了一組核心的進(jìn)化保守的，具有時(shí)間規(guī)律，促使AP從內(nèi)部驅(qū)動(dòng)到更強(qiáng)的感受態(tài)的一類(lèi)基因。其中，PRC2從表觀遺傳上調(diào)控AP的時(shí)間進(jìn)展。胚胎年齡依賴(lài)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(lái)出現(xiàn)的環(huán)境依賴(lài)性信號(hào)加以補(bǔ)充。因此，在有絲分裂后的子代中，前體細(xì)胞中存在的表觀遺傳調(diào)控的時(shí)間分子印記為成年神經(jīng)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(xì)胞多樣性

 

3.《Cell》: 靈長(zhǎng)類(lèi)視網(wǎng)膜中中央凹和周邊細(xì)胞的細(xì)胞分類(lèi)研究[3]
 

靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物（包括人）的高敏視力是由稱(chēng)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(lái)自哈佛大學(xué)的研究人員利用165,000個(gè)獼猴中央凹和周?chē)�視網(wǎng)膜細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，進(jìn)行了全面的細(xì)胞分類(lèi)研究。結(jié)果顯示，大于60個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞類(lèi)型有80%在兩個(gè)區(qū)域中都存在，但是在比例和基因表達(dá)上存在顯著差異，其中一些與特定功能相關(guān)。與小鼠相比，獼猴的視網(wǎng)膜細(xì)胞類(lèi)型中，中間神經(jīng)元類(lèi)型高度保守。但是，兩者中的保守轉(zhuǎn)錄因子，映射到的神經(jīng)元細(xì)胞類(lèi)型和過(guò)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(guān)的基因的特征細(xì)胞類(lèi)型和表達(dá)特征。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及細(xì)胞類(lèi)型總圖

肝臟是一個(gè)非常重要的多功能器官。人類(lèi)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(duì)于肝臟細(xì)胞的組成仍然知之甚少。來(lái)自馬普學(xué)會(huì)免疫生物學(xué)和表觀遺傳系的研究人員通過(guò)9位正常肝組織供體的10,000個(gè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，構(gòu)建了人類(lèi)肝臟細(xì)胞圖譜。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，研究人員鑒定到了先前未知的基于轉(zhuǎn)錄特征的內(nèi)皮細(xì)胞，Kupffer細(xì)胞，肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞亞型。結(jié)果顯示，EPCAM+群體是異質(zhì)性的，包括肝細(xì)胞和膽管細(xì)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(xì)胞以及移植到小鼠肝臟中的人類(lèi)肝細(xì)胞和肝內(nèi)皮細(xì)胞中發(fā)生的表型變化。

圖4 成年人肝臟單細(xì)胞結(jié)果亞群分類(lèi)
 

5. 《Cell》：人類(lèi)心臟空間轉(zhuǎn)錄圖譜研究[5]
 

人類(lèi)心臟形態(tài)發(fā)生的過(guò)程還不是非常了解，它的完整特征要求深入研究具有單細(xì)胞空間分辨率的基因表達(dá)數(shù)據(jù)。通過(guò)利用空間轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，來(lái)自英國(guó)皇家理工學(xué)院的研究人員揭示了在三個(gè)發(fā)育階段胚胎心臟的細(xì)胞類(lèi)型的轉(zhuǎn)錄圖譜，并將細(xì)胞類(lèi)型特異性基因表達(dá)映射到特定的解剖結(jié)構(gòu)域上。該研究通過(guò)空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序確定了與每個(gè)發(fā)育階段中不同的解剖區(qū)域相對(duì)應(yīng)的獨(dú)特基因譜。通過(guò)單細(xì)胞RNA測(cè)序鑒定了人類(lèi)胚胎心臟細(xì)胞類(lèi)型，證實(shí)并豐富胚胎心臟基因表達(dá)的空間注釋。然后使用原位測(cè)序來(lái)完善這些結(jié)果，并為三個(gè)發(fā)育階段創(chuàng)建空間亞細(xì)胞圖。最后，研究人員生成了可公開(kāi)訪(fǎng)問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)資源（https://hdca-sweden.scilifelab.se/a-study-on-human-heart-development/），以促進(jìn)人類(lèi)心臟的未來(lái)研究。

圖5 心臟圖譜研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

6. 《Nature》：小鼠內(nèi)胚層發(fā)育圖譜研究[6]

紀(jì)念斯隆·凱特琳癌癥中心的研究人員為描述哺乳動(dòng)物個(gè)體內(nèi)胚層發(fā)育過(guò)程，選取了小鼠胚胎早期到妊娠中期內(nèi)胚層細(xì)胞，拿到了共112,217個(gè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)。利用基于graph-based分析方法，研究人員對(duì)分化過(guò)程細(xì)胞進(jìn)行了發(fā)展時(shí)空軌跡建模，定義了第一個(gè)（原始或胚外）內(nèi)胚層及其姊妹多能（胚）上皮細(xì)胞系出現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄模式。該研究揭示了這兩個(gè)世系細(xì)胞的后代之間的關(guān)系：胚芽形成之前和過(guò)程中，外胚層細(xì)胞在兩個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)分化為內(nèi)胚層。該研究觀察到了細(xì)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?cè)谄鞴偬禺愋詤^(qū)域的坐標(biāo)模式。

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

 

組織駐留的免疫細(xì)胞對(duì)于器官的穩(wěn)態(tài)和防御很重要。來(lái)自劍橋大學(xué)醫(yī)學(xué)系的研究人員利用單細(xì)胞RNA測(cè)序來(lái)解決人腎臟的時(shí)空免疫圖譜。該研究全面概述了人類(lèi)腎臟的免疫格局如何應(yīng)對(duì)主要的免疫挑戰(zhàn)。

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參考文獻(xiàn)
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