Nature | 人原腸胚的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征

原創(chuàng)?huacishu?圖靈基因?2021-12-02 07:03

收錄于話題#前沿生物大數(shù)據(jù)分析

撰文：huacishu

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1锥债、作者分析了一個在自愿終止妊娠后被捐贈用于研究的人類胚胎，作者對胚胎中的細(xì)胞類型和這些細(xì)胞表達(dá)的基因進(jìn)行了詳細(xì)的描述痊臭，并與實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了對比哮肚；

2、雖然這里只研究了一個胚胎广匙，但研究結(jié)果為其他模型系統(tǒng)的實驗解讀提供了新的背景允趟。還為人類原腸胚形成這一此前未經(jīng)探索的人類胚胎發(fā)育基本階段提供了獨特認(rèn)知。

英國牛津大學(xué)的Shankar Srinivas教授課題組在國際知名期刊Nature在線發(fā)表題為“Single-cell transcriptomic characterization of a gastrulating human embryo”的論文鸦致。原腸胚形成是所有多細(xì)胞動物的基本過程潮剪，通過原腸胚形成涣楷，首先制定基本的身體發(fā)育計劃。它在產(chǎn)生與空間協(xié)調(diào)的細(xì)胞多樣性方面起著關(guān)鍵作用抗碰。對人類來說狮斗，原腸胚形成發(fā)生在受精后的第三周。然而人們對這一過程的了解相對有限弧蝇，主要基于標(biāo)本碳褒、實驗?zāi)Ｐ突蜃罱捏w外培養(yǎng)樣本。在這里捍壤，作者以空間分辨的方式描述了整個原腸胚形成的人類胚胎的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物骤视，在受精后的16到19天之間進(jìn)行分期。使用這些數(shù)據(jù)分析現(xiàn)有的細(xì)胞類型鹃觉，并與其他模型系統(tǒng)進(jìn)行比較专酗。除了多能外胚層，還鑒定了原始生殖細(xì)胞盗扇、紅細(xì)胞和各種中胚層和內(nèi)胚層細(xì)胞類型祷肯。這種特性為解釋其他模型系統(tǒng)中的實驗提供了新的依據(jù)，對指導(dǎo)體外人類細(xì)胞定向分化具有重要的意義疗隶。

作者通過人類發(fā)育生物學(xué)資源從一位捐贈者那里獲得了一個原腸胚階段的人類胚胎佑笋，該捐贈者提供了知情同意書，用于研究因終止妊娠而產(chǎn)生的胚胎材料斑鼻。樣品完全完整蒋纬，形態(tài)正常，包括帶羊膜腔的胚胎盤坚弱，連接柄和卵黃囊與色素細(xì)胞（圖1a）蜀备。顯微解剖了卵黃囊和連接柄，分離出帶有覆蓋羊膜的胚胎盤荒叶。椎間盤的背側(cè)和腹側(cè)視圖顯示原始條紋沿長的吻側(cè)-尾側(cè)軸延伸約為椎間盤直徑的一半（圖1b）碾阁。在條紋的一端可以看到原始節(jié)點。為了在分離細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞RNA測序（scRNA seq）時保留解剖學(xué)信息些楣，將胚胎分為卵黃囊和胚胎盤（圖1d）脂凶。經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量篩選，生成了1195個單細(xì)胞庫愁茁，平均每個細(xì)胞檢測到4000個基因蚕钦。所有細(xì)胞均顯示Y染色體基因的表達(dá)，XIST轉(zhuǎn)錄本基本上無法檢測到埋市，證實沒有母體細(xì)胞污染冠桃。所有的細(xì)胞周期階段都可以檢測到，這表明正常的細(xì)胞周期正在發(fā)生道宅。樣本的基因組完整性正常食听，已鑒定的細(xì)胞數(shù)量與其他人類轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集的范圍相同。這些分析污茵，連同樣本的核型分析（方法）和形態(tài)學(xué)（圖1a樱报，b），表明該樣本是正常人原腸胚形成的代表泞当。用無監(jiān)督聚類法檢測了11個不同的細(xì)胞群（圖1c）迹蛤。利用解剖位置和標(biāo)記基因的組合，將它們注釋為：外胚層襟士、外胚層（羊膜/胚胎）盗飒、原始條紋、新生中胚層陋桂、軸向中胚層逆趣、新生中胚層、高級中胚層嗜历、胚外中胚層宣渗、內(nèi)胚層、血內(nèi)皮祖細(xì)胞（HEP）和成紅細(xì)胞（圖1c）梨州。通過與小鼠和非人靈長類食蟹猴細(xì)胞類型的比較痕囱，該注釋得到了驗證。Smart seq協(xié)議可以區(qū)分轉(zhuǎn)錄異構(gòu)體暴匠，并檢測基因異構(gòu)體的簇特異性表達(dá)鞍恢。作者創(chuàng)建了一個web界面（http://www.human-gastrula.net），以交互方式探索這些數(shù)據(jù)每窖，并作為用戶友好的社區(qū)資源帮掉。

CS7外胚層簇的鑒定為從轉(zhuǎn)錄上定義子宮中存在的人類啟動多能性狀態(tài)提供了機(jī)會。為了產(chǎn)生體內(nèi)啟動和初始狀態(tài)岛请，首先將外胚層數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的植入前人類胚胎scRNA序列數(shù)據(jù)結(jié)合起來旭寿，以捕獲體內(nèi)初始狀態(tài)。細(xì)胞根據(jù)其發(fā)育階段顯示出有序的模式（圖2a）崇败。接下來盅称，將未經(jīng)處理和預(yù)處理的體外培養(yǎng)的人類ES細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組投射到這個表達(dá)上。結(jié)果發(fā)現(xiàn)原始人類ES細(xì)胞最接近胚胎細(xì)胞后室，而預(yù)處理的人類ES細(xì)胞部分與CS7外胚層重疊缩膝，這驗證了在整體轉(zhuǎn)錄組水平上，人類ES細(xì)胞體外捕獲的預(yù)處理狀態(tài)與代表體內(nèi)預(yù)處理狀態(tài)密切相關(guān)岸霹。在體內(nèi)和體外對原始狀態(tài)和啟動狀態(tài)的比較顯示出一些差異疾层，這可能為進(jìn)一步完善體外模型提供了建議」北埽可以采用類似的方法來評估人原腸胚形成的體外模型痛黎。擴(kuò)散圖和RNA速度分析（圖2b）顯示了來自外胚層的軌跡予弧，沿著與中胚層和內(nèi)胚層相對應(yīng)的第二擴(kuò)散組分（DC2）分離。第一擴(kuò)散組分（DC1）與細(xì)胞類型和空間位置密切相關(guān)湖饱，反映了細(xì)胞的分化程度和“年齡”掖蛤，這取決于該樣本過去從外胚層中出現(xiàn)的距離（圖2b）。例如井厌，在原腸胚形成過程中相對較早出現(xiàn)的胚外中胚層細(xì)胞比出現(xiàn)較晚的軸向中胚層細(xì)胞離外胚層更遠(yuǎn)蚓庭。這表明，在這個階段仅仆，這些簇還不代表特定的中胚層亞型器赞。為了探索原腸胚形成過程中外胚層的變化，用屬于外胚層墓拜、原始條紋港柜、新生中胚層和外胚層（羊膜/胚胎）簇的細(xì)胞計算了RNA速度載體。這支持了從外胚層到中胚層撮弧，通過一側(cè)的原始條紋到另一側(cè)的外胚層的分叉的存在（圖2c）潘懊。使用擴(kuò)散時間對細(xì)胞進(jìn)行排序提供了一種方法來推斷外胚層細(xì)胞分化為外胚層或進(jìn)入原始條紋并開始分層為新生中胚層時基因表達(dá)的變化（圖2c）。雖然可以檢測到羊膜和胚胎外胚層（DLX5贿衍、TFAP2A和GATA3）共有的標(biāo)記物的強(qiáng)烈上調(diào)授舟，但早期神經(jīng)誘導(dǎo)標(biāo)記物（SOX1、SOX3和PAX6）和分化神經(jīng)元（TUBB3贸辈、OLIG2和NEUROD1）無法檢測到或表達(dá)水平很低释树。特別是，無法檢測到任何表達(dá)兩種或兩種以上標(biāo)記SOX3擎淤、PAX6或TUBB3的細(xì)胞奢啥。總之嘴拢，這些數(shù)據(jù)表明桩盲，在CS7胚胎中，神經(jīng)分化尚未開始席吴。小鼠是研究哺乳動物原腸胚形成的主要模型赌结。為了公正地測試人和小鼠原腸胚形成的相似性和差異性，使用偽時間分析比較了人原腸胚從外胚層到新生中胚層的轉(zhuǎn)變與小鼠原腸胚單細(xì)胞圖譜中的等效群體孝冒。鑒定了這兩個物種共有662個基因柬姚，它們在這一發(fā)育軌跡上差異表達(dá)。其中大多數(shù)（531人）在整個時間內(nèi)具有相同的趨勢庄涡，要么增加（117人）量承，要么減少（414人）。例如，在小鼠和人類中撕捍，從外胚層過渡到新生中胚層期間拿穴，CDH1表達(dá)降低，TBXT瞬時表達(dá)卦洽，SNAI1持續(xù)增加（圖2d）贞言。此外斜棚，還發(fā)現(xiàn)了一些在兩個物種中具有不同趨勢的基因阀蒂，如SNAI2（僅在人類中上調(diào)）、TDGF1（相反的趨勢）弟蚀、FGF8（僅在小鼠中瞬時表達(dá)）和FGF2（在人類中表達(dá)下調(diào)蚤霞，但在小鼠中根本不表達(dá)）。為了在實驗上驗證這些人類特異性轉(zhuǎn)錄趨勢义钉，使用了一個基于人類ES細(xì)胞的體外模型昧绣，從表生細(xì)胞過渡到新生中胚層，并在人類ES細(xì)胞分化過程中發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢（圖2e捶闸，f）夜畴。將這個比較擴(kuò)展到包括食蟹猴原腸胚形成的最接近的階段。對這三個物種的信號分子表達(dá)趨勢的分析再次揭示了廣泛的相似性删壮，以及一些特定的差異贪绘。

外胚層（羊膜/胚胎）簇在神經(jīng)板的吻側(cè)邊界表達(dá)胚胎外胚層共有的標(biāo)記，這將產(chǎn)生表面外胚層和羊膜外胚層央碟。為了進(jìn)一步探索這個群體税灌，進(jìn)行了亞聚類，發(fā)現(xiàn)了兩個亞群體亿虽，其中一個代表羊膜外胚層菱涤，由VTCN和GABRP的高表達(dá)表示（圖3a）。另一個亞群（NNE）代表形成神經(jīng)板的頭端邊界處的胚胎非神經(jīng)外胚層或未成熟羊膜洛勉。起源于早期外胚層的關(guān)鍵細(xì)胞群是原始生殖細(xì)胞（PGC）粘秆。在小鼠中，PGC大約在E7.25出現(xiàn)收毫。最近的研究表明攻走，在非人類靈長類動物和離體培養(yǎng)的人類胚胎中，表達(dá)某些PGC標(biāo)記的細(xì)胞可以在E11處被識別牛哺。與此一致陋气，我們能夠在原始條紋簇中檢測到少量PGC（圖3b）。通過比較早期人類PGC與小鼠和非人靈長類動物PGC的轉(zhuǎn)錄譜引润，確定了這些物種與其他不同物種（如DND1和PDPN）之間共享的標(biāo)記（圖3b）巩趁。內(nèi)胚層簇顯示了基于基因表達(dá)和細(xì)胞解剖起源的更高階次結(jié)構(gòu)。亞聚類顯示了四個空間上不同的亞群：下胚層、卵黃囊（YS）內(nèi)胚層和兩個確定的內(nèi)胚層（DE1和DE2）組（圖3c）议慰。這些細(xì)胞與E7.25小鼠內(nèi)胚層亞型的比較證實了作者先前的解釋（圖3c）蠢古。兩個確定的內(nèi)胚層簇從尾部區(qū)域收集的細(xì)胞比例最大。它們之間的主要區(qū)別之一是細(xì)胞在細(xì)胞周期各個階段的分布别凹，其中DE1比DE2更具增殖性草讶。DE2還顯示前內(nèi)胚層標(biāo)記物HHEX、OTX2炉菲、SHISA2和CER1的表達(dá)增加堕战。對轉(zhuǎn)錄亞型的分析還揭示了這些內(nèi)胚層簇在標(biāo)記物（如APOA2和TTR）上的進(jìn)一步差異。

作者的初步分析顯示有兩個血液相關(guān)簇拍霜，即成紅細(xì)胞和血液內(nèi)皮祖細(xì)胞（HEP）嘱丢。原始紅細(xì)胞的鑒定與卵黃囊中的色素細(xì)胞和胚胎珠蛋白基因的表達(dá)一致（圖4a）。這是出乎意料的祠饺，因為在小鼠胚胎的同等階段缺乏色素血細(xì)胞（約E7.25）越驻。XIST和Y染色體特異性基因的表達(dá)排除了這些細(xì)胞起源于母體的可能性。HEP的無監(jiān)督聚類顯示四個亞群具有不同的轉(zhuǎn)錄和亞型特征（圖4b）道偷。這些代表內(nèi)皮細(xì)胞缀旁、巨核細(xì)胞紅系祖細(xì)胞（MEP）（同時表達(dá)巨核細(xì)胞和紅系標(biāo)記物）、髓系祖細(xì)胞和紅系髓系祖細(xì)胞（EMP）群體勺鸦。擴(kuò)散分析顯示基于HEP亞型的軌跡分離（圖4c）并巍。血紅蛋白化細(xì)胞和多個造血祖細(xì)胞群的存在表明，與同等階段的小鼠胚胎相比祝旷，人類的造血進(jìn)一步發(fā)展（E6.75–E7.5）履澳。為了以無偏的方式檢驗這一點，將人類集群序列與小鼠原腸胚單細(xì)胞圖譜中的等效群體進(jìn)行了比較怀跛，該圖譜跨越E6.5–E8.5距贷。與分別對應(yīng)于E7.0和E7.5小鼠細(xì)胞的人類外胚層和原始條紋相反，所有人類造血細(xì)胞群與小鼠E8.5期細(xì)胞最密切相關(guān)（圖4d）吻谋，進(jìn)一步表明人類的造血比小鼠的同時期更為先進(jìn)忠蝗。

測序標(biāo)本的獨特性意味著在對子宮內(nèi)人類原腸胚形成進(jìn)行概括時必須小心。在這些早期階段從倫理上獲得的人類樣本非常罕見漓拾，因此阁最，在這種情況下，將人類原腸胚轉(zhuǎn)錄組與來自階段匹配的非人靈長類動物的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行比較將是有益的骇两。目前速种，對這一人類樣本的描述提供了一些保證，即它反映了正常發(fā)育的大體形態(tài)低千、核型配阵、分布，其單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與模式生物的原腸胚形成范例具有廣泛一致性。在這一階段的胚胎已經(jīng)有PGC和紅細(xì)胞棋傍。原腸胚細(xì)胞從外胚層向中胚層轉(zhuǎn)化的分化軌跡和信號通路在人類和小鼠之間廣泛保守救拉，表明小鼠代表了人類原腸胚形成的良好模型。然而瘫拣，一些顯著的差異表明亿絮，EMT的過程可能在特定信號家族成員的水平上受到不同的調(diào)節(jié)。這些特定于人類的分化細(xì)節(jié)將是完善人類胚胎干細(xì)胞定向分化方法的寶貴資源麸拄。此外派昧，他們還將幫助解釋模型生物（如小鼠或體外原腸胚系統(tǒng)）的原腸胚形成實驗結(jié)果。人和小鼠的原腸胚在形態(tài)上非常不同感帅，人的原腸胚形成一個圓盤斗锭，而小鼠的原腸胚是圓柱形的。這種形態(tài)上的巨大差異改變了原腸胚形成過程中細(xì)胞的遷移路徑失球，從而改變了細(xì)胞可能受到來自相鄰生殖層的誘導(dǎo)信號。因此帮毁，將這一人類原腸胚單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與具有類似胚胎盤的其他生物（如兔子实苞、小雞和非人靈長類）的階段匹配原腸胚進(jìn)行比較是很重要的。這將使人們能夠解決人類和小鼠轉(zhuǎn)錄組之間的特定差異在多大程度上僅僅是進(jìn)化差異的結(jié)果烈疚，或者是反映形態(tài)差異黔牵。

教授介紹

Shankar教授在印度Nizam學(xué)院獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位。隨后爷肝，他加入了紐約哥倫比亞大學(xué)猾浦，并在那里獲得了分子遺傳學(xué)博士學(xué)位。他開發(fā)了延時顯微鏡方法來研究早期植入后小鼠胚胎灯抛，利用該方法金赦，他描述了內(nèi)臟內(nèi)胚層細(xì)胞的活躍遷移，這是胚胎前后軸正確定向所必需的過程对嚼。2016年夹抗，他成為發(fā)育生物學(xué)教授。Shankar小組的研究主要集中在兩個領(lǐng)域纵竖。第一個是了解在原腸胚形成之前和期間形成早期哺乳動物胚胎的協(xié)調(diào)細(xì)胞運動是如何控制的漠烧。第二是了解心臟是如何形成和開始跳動的。Shankar的研究小組采用多學(xué)科協(xié)作的方法來解決這些問題靡砌，使用的技術(shù)包括分子遺傳學(xué)已脓、光片和共焦延時成像、單細(xì)胞方法通殃、蛋白質(zhì)組學(xué)和胚胎外植體培養(yǎng)度液。

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參考文獻(xiàn)

Tyser RCV, Mahammadov E, Nakanoh S, Vallier L, Scialdone A, Srinivas S.Single-cell transcriptomic characterization of a gastrulating human embryo.Nature. 2021;10.1038/s41586-021-04158-y. doi:10.1038/s41586-021-04158-y