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超400万个细胞!基于单细胞测序绘制人类胚胎基因表达与染色质可及性图谱

从受精卵到胚胎的发育过程堪称生物奇迹,要了解整个发育轨迹就需要了解其中的基因是如何被调控和表达的。在2018年,人类首次借助单细胞测序技术看到了非洲爪蟾和斑马鱼胚胎发育的“高清”过程。目前对人类胚胎发育的研究尚没有较大进展。首先,人类胚胎组织的获取受到限制。其次,即使在样本可以获取的情况下,胚胎组织通常是固定的,核酸被降解了。此外,目前复杂组织的分子研究大多仍被细胞类型异质性所困扰。由于这些原因,当代对人类体内发育的分子基础知识,大多来自于人类遗传学、模型生物的体内研究和人类细胞系分化的体外研究,而不是通过对发育中人体组织的直接研究。

近日,由洛克菲勒大学研究人员领导的团队在国际顶级期刊Science发表了题为“A human cell atlas of fetal gene expression”的文章。研究人员克服了样本获取受限、组织降解和细胞类型异质性这三大挑战,利用优化的高通量单细胞测序技术sci-RNA-seq3在妊娠中期获得的人类胚胎器官组织样本中,分析了约400万个单细胞,并绘制了人类胚胎单细胞基因表达图谱。该成果有助于跨越不同细胞类型探索人体基因表达,更好地解析细胞类型及其发育轨迹,进而广泛地指导对人类生物学的基本认识,以及细胞治疗策略的选择 。

文章发表于Science期刊

研究团队选取了从72天到129天不等的121个人类胎儿样本进行了三级单细胞组合索引测序(sci-RNA-seq3),这些样本涵盖了15个胎儿器官。最终,研究人员对约400万个单细胞的基因表达进行了分析,并绘制了单细胞基因表达图谱。丰富的细胞类型的识别和注释,以及细胞类型(如血液、内皮细胞和上皮细胞)的跨组织整合,使得小鼠胚胎和人类胎儿细胞图谱的物种间整合成为可能。

图:研究概要图。来源:Science

为详细分析获得的单细胞数据,研究团队开发并优化了一个用于量化细胞类型特异性的计算框架,共识别了657个细胞亚型。通过对每个器官的每个细胞类型随机采样5000个细胞,研究人员比较了15个胎儿器官的细胞类型。正如预期的那样,在多个器官中具有代表性的细胞类型,以及与发育相关的细胞类型趋向于共定位。在77种主要细胞类型中,许多表面蛋白、分泌蛋白、转录因子和非编码RNA表达差异显著。

图:细胞亚型鉴定。来源:Science

研究人员还从未解剖的胚胎中提取了200万个细胞,并将这些人类胎儿数据与小鼠器官发生细胞图谱(MOCA)整合起来。通过交叉匹配初步注释,发现小鼠细胞的分布与MOCA的整体分析相似。尽管物种不同,但许多人类细胞亚型与小鼠细胞类型匹配达到了1:1。例如,人类肾脏中的多种上皮细胞亚型与注释的MCA细胞类型匹配为1:1。

图:人胚胎和小鼠胚胎细胞图谱的整合。来源:Science

同时,该研究还有意外发现,研究团队鉴定识别并验证了组织中潜在循环的滋养细胞样细胞和肝母细胞样细胞。通过各种组织的基因表达分析,研究人员还针对主要细胞类型(包括血液、内皮细胞和上皮细胞)进行了跨组织综合解析。其中对于血细胞,该研究绘制了从造血干细胞到所有主要亚系细胞状态轨迹的多器官图谱。

研究发现的多种证据表明,在胎儿发育过程中,肾上腺是正常的(尽管是次要的)红细胞生成部位。虽然物种和发育阶段存在差异,但将这些人类胎儿数据与小鼠胚胎细胞图谱整合起来构建胚胎发育动态轨迹,可以针对某些系统分析胚胎发育过程中的基因表达动力学变化。

与该研究背靠背发表在Science的另一篇文章“A human cell atlas of fetal chromatin accessibility”,同样是由该研究团队参与完成。研究人员利用sci-ATAC-seq3检测了同一批胎儿样本中,超过80万个人体胎儿单细胞的染色质可及性。该研究发现了超过一百万个染色质可及位点,其中很多位点只在一些特定细胞中存在。

染色质可及性文章发表于Science期刊

目前,虽然单细胞测序方法已经广泛应用于人类和小鼠胚胎发育阶段研究,但在胎儿阶段研究中仍具挑战性。近期报道的关于人类胎儿发育的单细胞研究仅限于单个器官或细胞谱系,并没有获得全面的观点。该研究团队展示的单细胞数据资源规模庞大,是目前已经发表的规模最大的单细胞数据库,对人类胎儿发育进行了较为全面的组织分析,所获得的基因表达图谱和染色质可及性的数据可为更好地理解人类发育中罕见和常见疾病提供信息资源,同时也可为开发潜在的治疗方法提供支持。

未来,研究团队计划将研究拓展到人类胎儿发育的早期和后期阶段,对已有基因数据进行补充,以及将来自模型生物的类似全面分析进行数据整合,以全面了解人类细胞类型多样性。

参考资料:

1. A human cell atlas of fetal gene expression. Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aba7721

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/eaba7721

2. A human cell atlas of fetal chromatin accessibility. Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aba7612

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/eaba7612

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本文由 测序中国 作者:陈初夏 发表,转载请注明来源!

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