单细胞测序技术应用于发育生物学研究登顶三大学术杂志
2019年即将结束，在这一年中，单细胞测序的火热充分展示了该技术在科学研究领域的重要。发育生物学作为生命基本过程研究的基础学科，单细胞测序技术是该领域研究突飞猛进的助推器。在这300多个日夜里，科学研究成果殿堂《Cell》、《Nature》、《Science》上有哪些发育生物学的成果跟单细胞技术相关呢？
1.《Nature》：哺乳动物胚胎发生的分子足迹[1]
个体生物学描述了从单个全能细胞到复杂多器官形成的过程。由于哺乳动物的自我更新和分化，起源细胞大小变化和内部妊娠之间的不确定性，了解哺乳动物的个体发育是极具挑战的。来自加州大学旧金山分校的研究人员开发了一种进行单细胞读数的灵活，高通量，多通道分子记录仪进行进化谱系示踪，绘制小鼠从受精卵到原肠胚形成图谱。通过将记录信息与单细胞转录组测序数据的整合，研究人员概述了不同组织类型之间的基本发育过程，并揭示了胚外和胚胎来源的内胚层细胞几乎完全的转录趋同。运用建立的细胞命运图，研究人员估计了胚胎祖细胞的数量及其在特化过程中的不对称分配程度。该方法可用于哺乳动物系统中的大规模平行，高分辨率地记录图谱变化，有助于构建发育图谱框架。
图1 小鼠胚胎发育过程单细胞谱系重建结果
2.《Science》: 发育中的新皮质层中根尖祖细胞及其子代神经元的时间轴[2]
在皮质发生过程中，不同类型神经元亚型依次从脑室祖细胞中诞生而来。但是，这些细胞产生的分子时间轴还不是很了解。来自日内瓦大学的研究人员利用高时间分辨率的单细胞转录组测序方法，追踪了小鼠胚胎中顶尖祖细胞（APs）及其子代神经元的分子谱系特征。研究人员鉴定到了一组核心的进化保守的，具有时间规律，促使AP从内部驱动到更强的感受态的一类基因。其中，PRC2从表观遗传上调控AP的时间进展。胚胎年龄依赖性的AP分子状态作为连续的基态传递到其子代，作用于早期有丝分裂后分化程序，并由后来出现的环境依赖性信号加以补充。因此，在有丝分裂后的子代中，前体细胞中存在的表观遗传调控的时间分子印记为成年神经元的多样性播下了种子。
图2 新生皮层中不同分化阶段的细胞多样性
3.《Cell》: 灵长类视网膜中中央凹和周边细胞的细胞分类研究[3]
灵长类动物（包括人）的高敏视力是由称为中央凹的中央视网膜小区域决定的。由于常规生物模型缺乏中央凹，其在眼病中的特异功能及功能障碍目前知之甚少。来自哈佛大学的研究人员利用165,000个猕猴中央凹和周围视网膜细胞的单细胞转录组数据，进行了全面的细胞分类研究。结果显示，大于60个细胞的细胞类型有80%在两个区域中都存在，但是在比例和基因表达上存在显著差异，其中一些与特定功能相关。与小鼠相比，猕猴的视网膜细胞类型中，中间神经元类型高度保守。但是，两者中的保守转录因子，映射到的神经元细胞类型和过程却有所不同。借助猕猴和人的高度保守，该研究绘制了与人的7种视网膜疾病相关的基因的特征细胞类型和表达特征。
图3 实验设计及细胞类型总图
4. 《Nature》：人类肝脏细胞图谱研究[4]
肝脏是一个非常重要的多功能器官。人类目前面临着肝病发病率不断上升，治疗选择又有限的现状。然而，现在对于肝脏细胞的组成仍然知之甚少。来自马普学会免疫生物学和表观遗传系的研究人员通过9位正常肝组织供体的10,000个单细胞转录组测序，构建了人类肝脏细胞图谱。通过数据分析，研究人员鉴定到了先前未知的基于转录特征的内皮细胞，Kupffer细胞，肝实质细胞亚型。结果显示，EPCAM+群体是异质性的，包括肝细胞和胆管细胞群体，以及具有TROP2int形成肝组织的原代群体。利用图谱数据，研究人员揭示了在肝组织癌细胞以及移植到小鼠肝脏中的人类肝细胞和肝内皮细胞中发生的表型变化。
图4 成年人肝脏单细胞结果亚群分类
5. 《Cell》：人类心脏空间转录图谱研究[5]
人类心脏形态发生的过程还不是非常了解，它的完整特征要求深入研究具有单细胞空间分辨率的基因表达数据。通过利用空间转录组和单细胞转录组测序，来自英国皇家理工学院的研究人员揭示了在三个发育阶段胚胎心脏的细胞类型的转录图谱，并将细胞类型特异性基因表达映射到特定的解剖结构域上。该研究通过空间转录组测序确定了与每个发育阶段中不同的解剖区域相对应的独特基因谱。通过单细胞RNA测序鉴定了人类胚胎心脏细胞类型，证实并丰富胚胎心脏基因表达的空间注释。然后使用原位测序来完善这些结果，并为三个发育阶段创建空间亚细胞图。最后，研究人员生成了可公开访问的网络资源（https://hdca-sweden.scilifelab.se/a-study-on-human-heart-development/），以促进人类心脏的未来研究。
图5 心脏图谱研究实验设计
6. 《Nature》：小鼠内胚层发育图谱研究[6]
纪念斯隆·凯特琳癌症中心的研究人员为描述哺乳动物个体内胚层发育过程，选取了小鼠胚胎早期到妊娠中期内胚层细胞，拿到了共112,217个单细胞转录组测序数据。利用基于graph-based分析方法，研究人员对分化过程细胞进行了发展时空轨迹建模，定义了第一个（原始或胚外）内胚层及其姊妹多能（胚）上皮细胞系出现的转录模式。该研究揭示了这两个世系细胞的后代之间的关系：胚芽形成之前和过程中，外胚层细胞在两个不同的时间点分化为内胚层。该研究观察到了细胞沿着突出肠管前后轴的区域化特征，反映了它们的胚胎或胚胎外起源，以及它们在器官特异性区域的坐标模式。
7. 《Cell》：重编程过程的发展轨迹研究[7]
来自麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的研究人员利用一种新的方法—Waddington-OT（一种研究发展时间过程的方法，以推断祖先的命运并为它们背后的监管模式建模。），检测了单个细胞的发展轨迹，为深入了解旁分泌相互作用如何塑造重编程提供了证据。
8. 《Science》：使用长期体外胚胎培养解剖灵长类动物在植入后的早期发育[8]
来自昆明理工大学灵长类转化医学研究所的研究人员建立了一个培养系统，能够在长达20天的时间内体外培养食蟹猴的胚胎。培养的胚胎经历了重要的灵长类动物发育阶段，包括谱系分离，双腔盘形成，羊膜和卵黄囊空化以及原始生殖细胞样细胞（PGCLC）分化。单细胞RNA测序分析揭示了原始内胚层，滋养外胚层，表皮细胞谱系和PGCLCs的发育轨迹。该研究揭示了植入后早期非人类灵长类动物胚胎发生的关键发展事件和复杂的分子机制。
9. 《Nature》：心脏发生的单细胞分析揭示了器官水平发育缺陷的基础[9]
先天性心脏缺陷是最常见的畸形，是由心脏祖细胞部分子代细胞的破坏造成的，但是单个祖细胞的转录变化如何导致器官水平缺陷还不清楚。来自格拉德斯通心血管疾病研究所的研究人员利用单细胞转录组测序分析了早期心脏祖细胞在正常和异常情况下的转录特征。这项工作揭示了确定单个心脏祖细胞中命运和分化的转录决定因子，并揭示了单细胞分辨率下心脏发育受阻的机制，为研究先天性心脏缺陷提供了框架。
10. 《Science》：人体肾脏免疫细胞时空图谱[10]
组织驻留的免疫细胞对于器官的稳态和防御很重要。来自剑桥大学医学系的研究人员利用单细胞RNA测序来解决人肾脏的时空免疫图谱。该研究全面概述了人类肾脏的免疫格局如何应对主要的免疫挑战。
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参考文献
1. Chan, M.M., Z.D. Smith, S. Grosswendt, et al., Molecular recording of mammalian embryogenesis. Nature, 2019, 570(7759): 77-82.
2. Telley, L., G. Agirman, J. Prados, et al., Temporal patterning of apical progenitors and their daughter neurons in the developing neocortex. Science, 2019, 364(6440).
3. Peng, Y.-R., K. Shekhar, W. Yan, et al., Molecular Classification and Comparative Taxonomics of Foveal and Peripheral Cells in Primate Retina. Cell, 2019, 176(5): 1222-1237.e22.
4. Aizarani, N., A. Saviano, Sagar, et al., A human liver cell atlas reveals heterogeneity and epithelial progenitors. Nature, 2019, 572(7768): 199-204.
5. Asp, M., S. Giacomello, L. Larsson, et al., A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart. Cell, 2019, 179(7): 1647-1660.e19.
6. Nowotschin, S., M. Setty, Y.Y. Kuo, et al., The emergent landscape of the mouse gut endoderm at single-cell resolution. Nature, 2019.
7. Schiebinger, G., J. Shu, M. Tabaka, et al., Optimal-Transport Analysis of Single-Cell Gene Expression Identifies Developmental Trajectories in Reprogramming. Cell, 2019, 176(4): 928-943 e22.
8. Niu, Y., N. Sun, C. Li, et al., Dissecting primate early post-implantation development using long-term in vitro embryo culture. Science, 2019, 366(6467).
9. de Soysa, T.Y., S.S. Ranade, S. Okawa, et al., Single-cell analysis of cardiogenesis reveals basis for organ-level developmental defects. Nature, 2019, 572(7767): 120-124.
10. Stewart, B.J., J.R. Ferdinand, M.D. Young, et al., Spatiotemporal immune zonation of the human kidney. Science, 2019, 365(6460): 1461-1466.
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