Nature Communications | 文路副研究員與喬杰教授合作繪制人類垂體發(fā)育單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜
垂體是最重要最復(fù)雜的內(nèi)分泌腺體之一，是內(nèi)分泌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的司令部，作為神經(jīng)-內(nèi)分泌系統(tǒng)中的主要成員，在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。它位于大腦底部的蝶鞍中，重量不到1克,分為腺垂體和神經(jīng)垂體兩部分。腺垂體主要由五種激素細(xì)胞組成，包括生長激素細(xì)胞、催乳素細(xì)胞、促甲狀腺素細(xì)胞、促腎上腺皮質(zhì)激素細(xì)胞和促性腺激素細(xì)胞。這些細(xì)胞與下游靶內(nèi)分泌腺之間構(gòu)成復(fù)雜的信號(hào)系統(tǒng)，在生長發(fā)育、代謝調(diào)節(jié)、生殖以及應(yīng)激等生理過程中發(fā)揮重要作用。垂體發(fā)育是一個(gè)精妙的過程。在人類胚胎第3周左右，腹側(cè)間腦與原始口腔頂部外胚層接觸，誘導(dǎo)其內(nèi)陷形成一個(gè)微型囊狀結(jié)構(gòu)（Rathke囊），囊壁細(xì)胞通過分裂、遷移和分化，最終形成各種激素細(xì)胞類型。過去近三十年的小鼠遺傳學(xué)研究已鑒定出許多信號(hào)途徑（如BMP、FGF、WNT和SHH）和轉(zhuǎn)錄因子(如LHX3/4、PITX1/2、PAX6、HESX1、SOX2、PROP1、POU1F1（PIT-1）、GATA2、TBX19（TPIT）和NR5A1(SF-1))參與了垂體發(fā)育 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA 1-4。然而，我們對垂體發(fā)育過程所經(jīng)歷的各種細(xì)胞狀態(tài)及其動(dòng)態(tài)變化知之甚少；我們甚至缺乏對這些激素細(xì)胞類型或亞型基因表達(dá)譜的準(zhǔn)確認(rèn)知——因?yàn)槌Ｒ?guī)轉(zhuǎn)錄組方法需要上萬個(gè)細(xì)胞，檢測到實(shí)際上是各種激素細(xì)胞類型的“平均細(xì)胞”。
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）與北京大學(xué)第三醫(yī)院合作，于2020年10月19日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上在線發(fā)表了題為“Single-cell transcriptomics identifies divergent developmental lineage trajectories during human pituitary development”的文章。該研究利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，揭示了7周至25周人類胚胎垂體中五種主要激素細(xì)胞的發(fā)育軌跡，定義了中間過渡細(xì)胞類型并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的靈長類特異的促性腺激素細(xì)胞亞類，并闡明了垂體干細(xì)胞的狀態(tài)變遷。
首先，研究人員對分子特征尚未研究清楚的人類垂體干細(xì)胞進(jìn)行亞群特征鑒定，發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞亞群隨發(fā)育時(shí)間變化，早期干細(xì)胞增殖能力較強(qiáng)，且高表達(dá)垂體所有激素細(xì)胞分化必需的轉(zhuǎn)錄因子ASCL1，該基因?qū)τ谠缙诟杉?xì)胞分化可能發(fā)揮了重要作用。晚期干細(xì)胞增殖能力被抑制，且高表達(dá)WNT信號(hào)調(diào)節(jié)因子SFRP2和WNT5A。此外，相較于已分化的激素細(xì)胞，垂體干細(xì)胞同時(shí)高表達(dá)上皮的標(biāo)志基因CDH1與間充質(zhì)的標(biāo)志基因VIM和CDH2，即處于混合上皮/間充質(zhì)（hybrid E/M）狀態(tài)，且與干性狀態(tài)正相關(guān)，之前的研究表明該混合狀態(tài)在小鼠器官發(fā)生和腫瘤轉(zhuǎn)移中也發(fā)揮了重要作用5。
圖1 干細(xì)胞亞群分布及特異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子
隨后，利用擬時(shí)間分析RNA velocity和Slingshot生物信息學(xué)方法，研究人員繪制了五種激素細(xì)胞的譜系發(fā)育路徑和分化方向，鑒定出譜系共享或譜系特異的下調(diào)或上調(diào)的轉(zhuǎn)錄因子，其中一些轉(zhuǎn)錄因子在中間態(tài)就已經(jīng)上調(diào)，對細(xì)胞命運(yùn)決定起到關(guān)鍵的調(diào)控。
圖2 垂體內(nèi)分泌細(xì)胞的擬時(shí)間發(fā)育軌跡及各譜系轉(zhuǎn)錄因子的動(dòng)態(tài)變化
然后，研究人員對五種激素細(xì)胞譜系分別進(jìn)行詳細(xì)分析。發(fā)現(xiàn)促腎上腺皮質(zhì)激素細(xì)胞從早期的具有少量的增殖細(xì)胞的中間狀態(tài)，逐漸發(fā)育成熟并建立皮質(zhì)醇反饋通路。PIT-1譜系包括三種激素細(xì)胞類型：生長激素細(xì)胞、催乳素細(xì)胞和促甲狀腺激素細(xì)胞，擬時(shí)間分析鑒定出他們的共同祖細(xì)胞Pro.PIT1_all，GATA2陽性的促甲狀腺激素細(xì)胞前體Pre.Thy和潛在的促生長激素細(xì)胞前體Pre.Som。PIT-1各個(gè)譜系特異的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子NEUROD4、ZBTB20、ASCL1在Pro.PIT1_all均相較干細(xì)胞表達(dá)上調(diào)，祖細(xì)胞進(jìn)一步分化為NEUROD4high/ZBTB20mid/ASCL1low 促生長激素前體和成熟細(xì)胞, NEUROD4mid/ZBTB20high/ASCL1low 催乳素細(xì)胞以及NEUROD4low/ZBTB20mid /ASCL1high 促甲狀腺激素前體和成熟細(xì)胞，表明祖細(xì)胞在細(xì)胞命運(yùn)決定之前有共同激活的程序，結(jié)合小鼠雙敲模型推測ZBTB20在催乳素細(xì)胞分化中與另外兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子存在競爭關(guān)系6。促性腺激素細(xì)胞呈現(xiàn)出起始時(shí)間不同的兩個(gè)發(fā)育軌跡，其中表達(dá)靈長類特有的絨毛膜促性腺激素（CGB）的譜系起始于早期，對人類早期下丘腦 -垂體 -性腺軸 (HPG軸)的發(fā)育可能具有關(guān)鍵調(diào)控作用，而小鼠模型中并沒有表達(dá)CGB的細(xì)胞亞型；高表達(dá)促卵泡激素（FSH）的亞型則起始于晚期。
圖3 人類垂體發(fā)育的模式圖
綜上所述，這項(xiàng)研究繪制了首張人類垂體發(fā)育和胎兒垂體激素細(xì)胞單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，有助于尋找新的先天性垂體疾病致病基因，也為探索垂體功能低下的干細(xì)胞治療提供了參照。
北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心博士后張書、博士研究生崔月利和北京大學(xué)第三醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心博士研究生馬昕怡為本文并列第一作者。生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心副研究員文路和北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰教授為本文共同通訊作者。該研究項(xiàng)目得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心（ICG）的支持。
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