Nature Cell Biology | 湯富酬研究組與合作者首次系統(tǒng)揭示人類消化道發(fā)育細(xì)胞圖譜
消化系統(tǒng)是人體中最重要的器官系統(tǒng)之一，而消化道作為消化系統(tǒng)最重要的組成部分、其在食物消化、營(yíng)養(yǎng)吸收、廢物排泄、抵抗微生物入侵等多個(gè)方面起著極其重要的作用。消化道主要由食道、胃、小腸、大腸組成。揭示這四種器官在人類胚胎發(fā)育過(guò)程中的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及“細(xì)胞類型圖譜”是發(fā)育生物學(xué)的重大問(wèn)題。
2018年5月25日，北京大學(xué)北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬課題組、葛顥課題組，攜手北京大學(xué)第三醫(yī)院?jiǎn)探苷n題組聯(lián)合在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Cell Biology》上在線發(fā)表了題為“Tracing the temporal-spatial transcriptome landscapes of the human fetal digestive tract using single-cell RNA-sequencing”的研究論文。在國(guó)際上首次在單細(xì)胞分辨率和全轉(zhuǎn)錄組水平，全面、系統(tǒng)、深入地闡明了食道、胃、小腸和大腸這四種器官在人類胚胎發(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，揭示了這四種器官不同細(xì)胞類型之間的精準(zhǔn)發(fā)育路徑和基因表達(dá)特征，并進(jìn)一步詳細(xì)解析了大腸從胎兒到成人的發(fā)育、成熟路徑和關(guān)鍵生物學(xué)特征。
本項(xiàng)研究首先分離并獲取了人類6到25周胚胎中食道、胃、小腸和大腸以及成年人的大腸總計(jì)5,277個(gè)單細(xì)胞，并對(duì)其進(jìn)行了高精度的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，獲得了多達(dá)5T的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)。針對(duì)這些數(shù)據(jù)該團(tuán)隊(duì)結(jié)合t-SNE，KNN，PCA，Monocle2和StemID等多種生物信息學(xué)分析方法進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘，全面系統(tǒng)地對(duì)這四種器官的發(fā)育進(jìn)程在基因表達(dá)調(diào)控層面進(jìn)行了深入的解析。主要發(fā)現(xiàn)有：
（1）通過(guò)關(guān)鍵基因表達(dá)特征定義了這四種器官共40種不同的重要細(xì)胞類型，其中在人類胚胎發(fā)育階段鑒定出30種不同的細(xì)胞類型。通過(guò)對(duì)胚胎發(fā)育時(shí)期的這30種細(xì)胞類型的關(guān)鍵生物學(xué)特征，特別是其獨(dú)特發(fā)育路徑，交互信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞周期分布，營(yíng)養(yǎng)代謝狀態(tài)和營(yíng)養(yǎng)吸收特點(diǎn)，以及層級(jí)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等特征進(jìn)行了細(xì)致翔實(shí)的分析后發(fā)現(xiàn)，其中具有干、祖細(xì)胞特征的細(xì)胞類型有19種，并且與其它11種已經(jīng)分化成熟的細(xì)胞類型相比，其在胚胎發(fā)育的較早期就已經(jīng)出現(xiàn)并且貫穿于整個(gè)胚胎發(fā)育時(shí)期，其細(xì)胞周期也呈現(xiàn)出活躍分裂增殖的特點(diǎn)。另一方面，整體的基因表達(dá)聚類分析顯示出胚胎早期消化道的四種不同器官的細(xì)胞雖然已經(jīng)具有明確的空間分布差異和不同的形態(tài)特征，但是仍然具有高度相似的基因表達(dá)特點(diǎn)，而胚胎晚期這四種不同器官的細(xì)胞基因表達(dá)差異非常明顯，顯示這些細(xì)胞類型功能成熟后基因表達(dá)的高度器官特異性和細(xì)胞類型特異性。同時(shí)小腸同其它三種消化道器官相比，營(yíng)養(yǎng)吸收代謝的關(guān)鍵基因在胚胎晚期被大規(guī)模同步激活，說(shuō)明處于胚胎晚期的小腸可能已經(jīng)具備了基本的營(yíng)養(yǎng)吸收功能。這也說(shuō)明隨著胚胎發(fā)育的進(jìn)行，四種器官在功能上的差異性也逐漸展現(xiàn)出來(lái)。
人類胚胎發(fā)育過(guò)程中食道、胃、小腸、大腸的細(xì)胞類型圖譜及其關(guān)鍵生物學(xué)特征
（2）通過(guò)胚胎發(fā)育的時(shí)間軸進(jìn)行縱向分析，該研究發(fā)現(xiàn)了一系列在胚胎發(fā)育早期（6W-11W）、中期（12W-18W）和晚期（19W-25W）階段特異性表達(dá)的標(biāo)志基因，這為多能性干細(xì)胞體外分化形成各種有功能的消化道細(xì)胞類型提供了重要的候選標(biāo)志基因以及基因表達(dá)譜的金標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步的Gene Ontology分析發(fā)現(xiàn)在胚胎發(fā)育早期的消化道是以干、祖細(xì)胞的快速增殖和保持未分化狀態(tài)為主要特征，而胚胎發(fā)育中期的消化道則初步建立了消化功能和免疫功能，提示在多能性干細(xì)胞體外定向分化過(guò)程中要密切關(guān)注免疫細(xì)胞對(duì)于消化道細(xì)胞的分化成熟可能發(fā)揮的重要調(diào)控作用。胚胎發(fā)育晚期的消化道則主要以組織細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特化和消化吸收功能特化和成熟為主要特征。另一方面，通過(guò)這四個(gè)器官的空間軸進(jìn)行橫向比較分析，發(fā)現(xiàn)在胚胎發(fā)育早期，四個(gè)消化道器官之間差異很?。ú煌鞴僦g差異表達(dá)的基因只有259個(gè)），來(lái)自不同器官的細(xì)胞其基本基因表達(dá)特征仍然非常相似，而到了胚胎發(fā)育晚期，四個(gè)消化道器官之間差異巨大（不同器官之間差異表達(dá)的基因增加到1193個(gè)），這也反映出消化道不同器官在發(fā)育過(guò)程中的功能特化和細(xì)胞類型差異不斷積累的特點(diǎn)。
（3）在消化道四種器官的發(fā)育過(guò)程中，通過(guò)解析單細(xì)胞水平上的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于發(fā)育起核心調(diào)控作用的HOX家族的基因，不同的HOX基因在不同的消化道器官中可能起著關(guān)鍵的區(qū)域化調(diào)節(jié)作用。在Hedgehog信號(hào)通路中，IHH配體可能起到了關(guān)鍵作用，并且發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)與上皮細(xì)胞之間存在旁分泌作用，同時(shí)在小腸和大腸還發(fā)現(xiàn)Wnt，F(xiàn)GF，TGF-β和BMP等信號(hào)通路協(xié)同調(diào)控著它們的發(fā)育過(guò)程。
人類胚胎發(fā)育過(guò)程中小腸的信號(hào)通路等調(diào)控模式示意圖
（4）針對(duì)大腸的發(fā)育進(jìn)程，該研究進(jìn)一步獲取了成年人大腸高精度的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，首次系統(tǒng)地研究了大腸從胎兒到成人的發(fā)育過(guò)程，成年人大腸中10種主要的細(xì)胞類型都被精確地鑒定出來(lái)。該研究系統(tǒng)地揭示了包括大腸干、祖細(xì)胞，腸上皮細(xì)胞，杯狀細(xì)胞等功能成熟的細(xì)胞類型的核心基因表達(dá)模式和關(guān)鍵標(biāo)志基因等重要生物學(xué)特征。在胎兒發(fā)育的后期，大腸中的細(xì)胞類型以及其基因表達(dá)模式與成年人階段已經(jīng)很接近，其中一些特定細(xì)胞類型的關(guān)鍵基因的表達(dá)也都趨于一致，說(shuō)明在胚胎晚期大腸的主要細(xì)胞類型可能已經(jīng)具備了初步的食物消化和營(yíng)養(yǎng)吸收功能。
成年人大腸中的細(xì)胞類型（左圖）及大腸從胚胎時(shí)期到成年人階段的發(fā)育路徑（右圖）
該項(xiàng)研究首次系統(tǒng)、全面、深入地同時(shí)將消化系統(tǒng)最重要的食道，胃，小腸，大腸四個(gè)主要器官在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組水平上進(jìn)行了時(shí)空交叉的深度解析。這四種器官，尤其是小腸，一直被作為研究細(xì)胞類型之間的相互作用以及成體干細(xì)胞的干性維持和分化的經(jīng)典模型。本研究的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑為消化道生物學(xué)研究領(lǐng)域提供了全面翔實(shí)的發(fā)育細(xì)胞圖譜數(shù)據(jù)，具有重大參考價(jià)值，同時(shí)也為體外多能性干細(xì)胞定向分化為消化道相關(guān)細(xì)胞類型建立了基因表達(dá)圖譜金標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，對(duì)于這四種消化道器官相關(guān)的癌癥，特別是胃癌和結(jié)直腸癌的致病機(jī)理研究，此項(xiàng)研究結(jié)果也在基因表達(dá)層面上提供了重要參考。
北京大學(xué)北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的博士后高帥、博士生汪睿，博士生李靜云、以及北醫(yī)三院閆麗盈博士為該文章并列第一作者，湯富酬教授、喬杰教授、及葛顥教授為該文章的共同通訊作者。此項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心（ICG）、以及生命科學(xué)聯(lián)合中心（CLS）的支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41556-018-0105-4
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