Cell Reports | 湯富酬課題組與喬杰課題組合作繪制人類心臟高精度發(fā)育細(xì)胞圖譜
人類胚胎發(fā)育是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，從一個(gè)單細(xì)胞的受精卵開(kāi)始，首先經(jīng)過(guò)著床前胚胎發(fā)育產(chǎn)生胚內(nèi)和胚外組織，再到著床后原腸胚階段三個(gè)胚層的特化，進(jìn)而到器官發(fā)生、分化、成熟，及至新生命的誕生。整個(gè)兩百八十天的胚胎發(fā)育過(guò)程從一個(gè)單細(xì)胞受精卵增殖發(fā)育形成含有上萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞的嬰兒，期間基因表達(dá)受到嚴(yán)密、精準(zhǔn)的調(diào)控，這一過(guò)程中的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制仍然亟需深入研究。
從2010年起，北京大學(xué)未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心湯富酬課題組和北醫(yī)三院?jiǎn)探苷n題組緊密合作，圍繞人類生殖系細(xì)胞（包括著床前胚胎細(xì)胞和著床后胚胎生殖細(xì)胞）發(fā)育的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制開(kāi)展了一系列深入的研究。利用湯富酬課題組發(fā)展的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組高通量測(cè)序技術(shù)，他們繪制了完整的人類生殖系細(xì)胞的發(fā)育細(xì)胞圖譜（著床前胚胎的發(fā)育細(xì)胞圖譜[Yan et al., Nature Structural & Molecular Biology, 2013; Dang et al., Genome Biology, 2016]；著床后胚胎生殖細(xì)胞的發(fā)育細(xì)胞圖譜[Guo et al., Cell, 2015;Liet al., Cell Stem Cell, 2017]），并對(duì)其DNA甲基化、染色質(zhì)狀態(tài)等不同層面的表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了深入的研究（Guo et al., Nature, 2014; Guo et al., Cell Research, 2017; Zhu et al., Nature Genetics, 2018; Li et al., Nature Cell Biology, 2018）。2018年，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)還與南方醫(yī)科大學(xué)趙小陽(yáng)課題組合作完成了人類成年男性精子發(fā)生過(guò)程中的細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變和基因表達(dá)圖譜的繪制，為男性不育的臨床診斷提供了新的思路（Wang et al.,Cell Stem Cell, 2018）。
此后兩個(gè)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)合作，全面開(kāi)展人類生殖系細(xì)胞以及非生殖系的各種重要器官的發(fā)育細(xì)胞圖譜研究，目標(biāo)是最終獲得人類胚胎發(fā)育所有重要階段、所有主要器官系統(tǒng)的高精度發(fā)育細(xì)胞圖譜。2018年，他們與中科院生物物理所王曉群課題組等合作首次繪制了來(lái)自外胚層的人腦前額葉發(fā)育的單細(xì)胞圖譜，并揭示了神經(jīng)元分化的成熟機(jī)制（Zhonget al., Nature, 2018）；同時(shí)，他們還對(duì)人類胚胎大腦皮層的所有主要腦區(qū)進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組研究，并揭示了大腦皮層的區(qū)域化基因表達(dá)和神經(jīng)元成熟的重要特征 （Fan et al., Cell Research, 2018）。以上這些工作為繪制完整的人腦發(fā)育細(xì)胞圖譜奠定了重要的基礎(chǔ)。此外，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)緊密合作，系統(tǒng)地闡明了來(lái)自內(nèi)胚層的消化道四種主要器官（食道、胃、小腸和大腸）在人類胚胎發(fā)育過(guò)程中的基因表達(dá)圖譜及其信號(hào)調(diào)控機(jī)制，并進(jìn)一步解析了從胎兒到成年大腸的發(fā)育、成熟路徑和關(guān)鍵生物學(xué)特征 （Gao et al., Nature Cell Biology, 2018）。2018年，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)還合作開(kāi)展了對(duì)來(lái)自中胚層的腎臟的發(fā)育細(xì)胞圖譜研究，深入研究了完整腎單位的細(xì)胞分化發(fā)育過(guò)程，闡釋了由腎單位前體細(xì)胞逐步分化產(chǎn)生不同類型的腎小管上皮細(xì)胞過(guò)程中對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控事件和信號(hào)通路調(diào)節(jié)機(jī)制（Wang et al., Cell Reports, 2018）。
2019年2月12日，北京大學(xué)未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心湯富酬課題組與北醫(yī)三院?jiǎn)探苷n題組繼續(xù)緊密合作，在《Cell Reports》雜志發(fā)表了題為“Single-Cell Transcriptome Analysis Maps the Developmental Track of the Human Heart”（利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)繪制人類心臟發(fā)育路線圖）的研究成果，對(duì)來(lái)自中胚層的另一重要器官——心臟進(jìn)行了深入的發(fā)育細(xì)胞圖譜研究。
心臟是哺乳動(dòng)物在胚胎期最先形成的功能器官之一。盡管已有對(duì)小鼠胚胎心臟發(fā)育的大量系統(tǒng)研究，但是人類與小鼠的心臟存在著很大差異（例如小鼠的心率是每分鐘600-700次，比人類的心率快近10倍），這提示人類心臟發(fā)育過(guò)程有其不同于小鼠模型的獨(dú)特特征?；诖?，該課題組利用高精度單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)對(duì)人類胚胎5周至25周心臟的4000多個(gè)單細(xì)胞進(jìn)行了系統(tǒng)的分析（如圖1所示），為闡明人類心臟發(fā)育的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，并為心臟再生的研究提供了重要線索。該研究的主要發(fā)現(xiàn)有：
圖1人類心臟解剖示意圖
1. 系統(tǒng)揭示了人類胚胎心臟發(fā)育主要細(xì)胞類型的關(guān)鍵時(shí)空發(fā)育特征
該研究系統(tǒng)鑒定了人類胚胎期心臟的主要細(xì)胞類型，包括心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、瓣膜細(xì)胞、心外膜細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞以及各種免疫細(xì)胞（包括肥大細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞和B細(xì)胞），揭示了每種細(xì)胞類型獨(dú)特的基因表達(dá)模式，以及各種細(xì)胞類型在發(fā)育過(guò)程中的豐度變化等重要生物學(xué)特征。隨著心臟發(fā)育進(jìn)展，心房、心室中的心肌細(xì)胞比例顯著下降，成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等非心肌細(xì)胞的比例逐漸上升，這說(shuō)明在發(fā)育過(guò)程中成纖維細(xì)胞等非心肌類型細(xì)胞對(duì)心臟發(fā)育的作用可能越來(lái)越重要（如圖2所示）。
心臟瓣膜由內(nèi)皮細(xì)胞和瓣膜間質(zhì)細(xì)胞兩種細(xì)胞類型構(gòu)成。該研究發(fā)現(xiàn)瓣膜間質(zhì)細(xì)胞在發(fā)育至20周左右時(shí)，有明顯的細(xì)胞凋亡發(fā)生，這與心臟瓣膜的發(fā)育塑形密切相關(guān)。該研究還發(fā)現(xiàn)心臟的內(nèi)皮細(xì)胞根據(jù)空間位置分為心內(nèi)膜內(nèi)皮細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞以及瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞，顯示出了內(nèi)皮細(xì)胞類型的異質(zhì)性以及微環(huán)境特異性。
圖2人類胚胎發(fā)育過(guò)程中各種細(xì)胞類型的基因表達(dá)特點(diǎn)及豐度變化
心臟壁主要由心肌細(xì)胞構(gòu)成。在發(fā)育過(guò)程中，心臟會(huì)經(jīng)歷由松散心肌小梁重構(gòu)形成緊實(shí)心肌層的成熟過(guò)程，該研究鑒定了這其間心肌小梁和緊實(shí)層心肌細(xì)胞的重要基因表達(dá)差異。此外，還發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞解剖位置（心房與心室之間，左心房與右心房之間，以及左心室與右心室之間）特異性的基因表達(dá)特點(diǎn)，而這些特點(diǎn)在早至胚胎發(fā)育第5周時(shí)就已經(jīng)有明確顯現(xiàn)。
2. 揭示了心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞功能成熟過(guò)程的重要特征
心臟發(fā)育過(guò)程中，心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞呈現(xiàn)出明顯隨發(fā)育時(shí)期的變化趨勢(shì)，最顯著的特點(diǎn)是活躍增殖的細(xì)胞比例大幅度下降，細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)的一系列基因表達(dá)的協(xié)同上調(diào) （如圖3所示），揭示了心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞功能成熟的重要標(biāo)志和關(guān)鍵分子事件。這也為研究人類多能性干細(xì)胞體外分化為功能成熟的心肌細(xì)胞提供了高精度的參比標(biāo)準(zhǔn)。
圖3心臟成纖維細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中的基因表達(dá)變化特征
3. 揭示了心臟發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵信號(hào)通路在不同細(xì)胞類型之間的協(xié)同互作機(jī)制
在心臟發(fā)育過(guò)程中，有多條信號(hào)通路在不同細(xì)胞類型中被依次有序激活。該研究發(fā)現(xiàn)在心臟發(fā)育過(guò)程中，NOTCH信號(hào)通路主要通過(guò)ERBB信號(hào)調(diào)控心肌致密化，促進(jìn)心肌細(xì)胞的分化。而在內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中，主要通過(guò)心肌細(xì)胞分泌的BMP5和BMP7信號(hào)分子，激活這兩種非心肌細(xì)胞中的BMP信號(hào)通路，促進(jìn)其命運(yùn)分化和功能成熟。這說(shuō)明在心臟發(fā)育過(guò)程中心肌細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等非心肌細(xì)胞之間存在復(fù)雜的信號(hào)通路協(xié)同互作，共同實(shí)現(xiàn)了心臟的穩(wěn)步發(fā)育壯大和協(xié)同功能成熟。
4. 系統(tǒng)揭示了人類心臟發(fā)育不同于小鼠模型的獨(dú)特基因表達(dá)特征
該研究通過(guò)與已經(jīng)發(fā)表的小鼠心臟發(fā)育的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)比較，鑒定出一系列人類心臟發(fā)育過(guò)程中主要細(xì)胞類型特異表達(dá)的重要基因，比如在人類心臟中，F(xiàn)GF12在心肌細(xì)胞中、RNASE1在內(nèi)皮細(xì)胞中、THY1在成纖維細(xì)胞中、CFB和ITLN1在心外膜細(xì)胞中特異高表達(dá)，而這些基因在小鼠心臟對(duì)應(yīng)細(xì)胞類型中幾乎不表達(dá)，是人類特異性的心臟發(fā)育重要調(diào)控基因；而在小鼠心臟中，Icam2在內(nèi)皮細(xì)胞中、Itga4在成纖維細(xì)胞中、Hpgd在心外膜細(xì)胞中特異高表達(dá)，而這些基因在人類心臟對(duì)應(yīng)細(xì)胞類型中幾乎不表達(dá)，是小鼠特異性的心臟發(fā)育重要調(diào)控基因（如圖4A所示）。該研究還發(fā)現(xiàn)人類與小鼠的心臟中心肌細(xì)胞是最為相似的細(xì)胞類型，而成纖維細(xì)胞等細(xì)胞類型的物種間差異較大（如圖4B所示）這為利用小鼠模型研究人類的心臟發(fā)育提供了參比標(biāo)準(zhǔn)。
圖4人類與小鼠胚胎期心臟發(fā)育的物種特異性基因表達(dá)特征
總之，該研究利用高精度的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等技術(shù)，全面、系統(tǒng)地解析了人類心臟發(fā)育過(guò)程中主要細(xì)胞類型的重要生物學(xué)特點(diǎn)，揭示了心臟發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵信號(hào)通路的時(shí)空特異性激活特征以及心肌細(xì)胞與非心肌細(xì)胞之間的復(fù)雜信號(hào)互作機(jī)制，同時(shí)通過(guò)與已發(fā)表的小鼠心臟發(fā)育單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)比較，揭示了人類心臟發(fā)育不同于小鼠模型的獨(dú)特基因表達(dá)特征。該研究深化了對(duì)人類心臟發(fā)育機(jī)制的理解，并為研究人類多能性干細(xì)胞體外分化為功能成熟的心肌細(xì)胞提供了高精度的參比標(biāo)準(zhǔn)。
北京大學(xué)未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心博士生崔月利、鄭宇軒和柳溪溪為該論文的并列第一作者，湯富酬教授和喬杰教授為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心以及生命科學(xué)聯(lián)合中心（CLS）等的支持。
原文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)30108-1
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