湯富酬研究組與合作者在《Nature Cell Biology》上發表論文首次系統揭示人類消化道發育細胞圖譜

消化系統是人體中最重要的器官系統之一，而消化道作為消化系統最重要的組成部分、其在食物消化、營養吸收、廢物排泄、抵抗微生物入侵等多個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髮育過程中的基因表達調控網路以及「細胞類型圖譜」是發育生物學的重大問題。

2018年5月25日，北京大學北京未來基因診斷高精尖創新中心、北大-清華生命科學聯合中心、生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬課題組、葛顥課題組，攜手生命中心、北京大學第三醫院喬傑課題組聯合在國際知名學術期刊《Nature Cell Biology》上在線發表了題為「Tracing the temporal-spatial transcriptome landscapes of the human fetal digestive tract using single-cell RNA-sequencing」的研究論文。在國際上首次在單細胞解析度和全轉錄組水平，全面、系統、深入地闡明了食道、胃、小腸和大腸這四種器官在人類胚胎髮育過程中的基因表達圖譜及其信號調控機制，揭示了這四種器官不同細胞類型之間的精準發育路徑和基因表達特徵，並進一步詳細解析了大腸從胎兒到成人的發育、成熟路徑和關鍵生物學特徵。

本項研究首先分離並獲取了人類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5,277個單細胞，並對其進行了高精度的單細胞轉錄組測序，獲得了多達5T的基因表達譜數據。針對這些數據該團隊結合t-SNE，KNN，PCA，Monocle2和StemID等多種生物信息學分析方法進行深度數據挖掘，全面系統地對這四種器官的發育進程在基因表達調控層面進行了深入的解析。主要發現有：

（1）通過關鍵基因表達特徵定義了這四種器官共40種不同的重要細胞類型，其中在人類胚胎髮育階段鑒定出30種不同的細胞類型。通過對胚胎髮育時期的這30種細胞類型的關鍵生物學特徵，特別是其獨特發育路徑，交互信號通路網路，細胞周期分布，營養代謝狀態和營養吸收特點，以及層級轉錄因子調控網路等特徵進行了細緻翔實的分析後發現，其中具有干、祖細胞特徵的細胞類型有19種，並且與其它11種已經分化成熟的細胞類型相比，其在胚胎髮育的較早期就已經出現並且貫穿於整個胚胎髮育時期，其細胞周期也呈現出活躍分裂增殖的特點。另一方面，整體的基因表達聚類分析顯示出胚胎早期消化道的四種不同器官的細胞雖然已經具有明確的空間分布差異和不同的形態特徵，但是仍然具有高度相似的基因表達特點，而胚胎晚期這四種不同器官的細胞基因表達差異非常明顯，顯示這些細胞類型功能成熟後基因表達的高度器官特異性和細胞類型特異性。同時小腸同其它三種消化道器官相比，營養吸收代謝的關鍵基因在胚胎晚期被大規模同步激活，說明處於胚胎晚期的小腸可能已經具備了基本的營養吸收功能。這也說明隨著胚胎髮育的進行，四種器官在功能上的差異性也逐漸展現出來。

人類胚胎髮育過程中食道、胃、小腸、大腸的細胞類型圖譜及其關鍵生物學特徵

（2）通過胚胎髮育的時間軸進行縱向分析，該研究發現了一系列在胚胎髮育早期（6W-11W）、中期（12W-18W）和晚期（19W-25W）階段特異性表達的標誌基因，這為多能性幹細胞體外分化形成各種有功能的消化道細胞類型提供了重要的候選標誌基因以及基因表達譜的金標準。進一步的Gene Ontology分析發現在胚胎髮育早期的消化道是以干、祖細胞的快速增殖和保持未分化狀態為主要特徵，而胚胎髮育中期的消化道則初步建立了消化功能和免疫功能，提示在多能性幹細胞體外定向分化過程中要密切關注免疫細胞對於消化道細胞的分化成熟可能發揮的重要調控作用。胚胎髮育晚期的消化道則主要以組織細胞的結構特化和消化吸收功能特化和成熟為主要特徵。另一方面，通過這四個器官的空間軸進行橫向比較分析，發現在胚胎髮育早期，四個消化道器官之間差異很小（不同器官之間差異表達的基因只有259個），來自不同器官的細胞其基本基因表達特徵仍然非常相似，而到了胚胎髮育晚期，四個消化道器官之間差異巨大（不同器官之間差異表達的基因增加到1193個），這也反映出消化道不同器官在發育過程中的功能特化和細胞類型差異不斷積累的特點。

（3）在消化道四種器官的發育過程中，通過解析單細胞水平上的基因表達調控網路發現，對於發育起核心調控作用的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鍵的區域化調節作用。在Hedgehog信號通路中，IHH配體可能起到了關鍵作用，並且發現間充質與上皮細胞之間存在旁分泌作用，同時在小腸和大腸還發現Wnt，FGF，TGF-β和BMP等信號通路協同調控著它們的發育過程。

人類胚胎髮育過程中小腸的信號通路等調控模式示意圖

（4）針對大腸的發育進程，該研究進一步獲取了成年人大腸高精度的單細胞轉錄組數據，首次系統地研究了大腸從胎兒到成人的發育過程，成年人大腸中10種主要的細胞類型都被精確地鑒定出來。該研究系統地揭示了包括大腸干、祖細胞，腸上皮細胞，杯狀細胞等功能成熟的細胞類型的核心基因表達模式和關鍵標誌基因等重要生物學特徵。在胎兒發育的後期，大腸中的細胞類型以及其基因表達模式與成年人階段已經很接近，其中一些特定細胞類型的關鍵基因的表達也都趨於一致，說明在胚胎晚期大腸的主要細胞類型可能已經具備了初步的食物消化和營養吸收功能。

成年人大腸中的細胞類型（左圖）及大腸從胚胎時期到成年人階段的發育路徑（右圖）

該項研究首次系統、全面、深入地同時將消化系統最重要的食道，胃，小腸，大腸四個主要器官在單細胞轉錄組水平上進行了時空交叉的深度解析。這四種器官，尤其是小腸，一直被作為研究細胞類型之間的相互作用以及成體幹細胞的乾性維持和分化的經典模型。本研究的發現無疑為消化道生物學研究領域提供了全面翔實的發育細胞圖譜數據，具有重大參考價值，同時也為體外多能性幹細胞定向分化為消化道相關細胞類型建立了基因表達圖譜金標準。另一方面，對於這四種消化道器官相關的癌症，特別是胃癌和結直腸癌的致病機理研究，此項研究結果也在基因表達層面上提供了重要參考。

北京大學北京未來基因診斷高精尖創新中心的博士後高帥、博士生汪睿，博士生李靜雲、以及北醫三院閆麗盈博士為該文章並列第一作者，湯富酬教授、喬傑教授、及葛顥教授為該文章的共同通訊作者。此項工作得到了國家自然科學基金委、科技部、未來基因診斷高精尖創新中心（ICG）、以及生命科學聯合中心（CLS）的支持。

來源：生命科學聯合中心

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