2018年7月30號,中科院上海生物化學與細胞生物學研究所童明漢、李勁松課題組與北京大學湯富酬課題組合作在Cell Research上在線發(fā)表了題為“Single-cell RNA-seq uncovers dynamic processes and critical regulators in mouse spermatogenesis”的研究論文。
在這里,人員開發(fā)了一種方法,通過結合轉基因標記和生精上皮周期的同步,以及隨后的單細胞RNA測序來純化所有類型的同質(zhì)生精細胞。該研究揭示了基因表達中廣泛的和以前未表征的動態(tài)過程和分子特征,以及選擇性剪接的特定模式,以及用于雄性生殖細胞發(fā)育特定階段的新型調(diào)節(jié)劑。轉錄組學分析提供了圓形精子細胞成熟影響胚胎發(fā)育的證據(jù)。這項工作為哺乳動物精子發(fā)生提供了寶貴的見解,并為將來完成闡明配子發(fā)生的研究提供了全面的資源。
現(xiàn)特將湯富酬課題組的這8篇文章總結于此,系統(tǒng)的介紹湯富酬課題組所取得的成果以饗讀者。
1、Nature Cell Bio:人類早期胚胎的單細胞多組學測序
DNA甲基化,染色質(zhì)狀態(tài)及其相互關系代表了關鍵的表觀遺傳學信息,但是這些在人類早期胚胎中大部分是未知的。在這里,研究人員應用單細胞染色質(zhì)整體的大規(guī)模景觀測序(scCOOL-seq)來生成人類植入前發(fā)育期間單細胞分辨率的DNA甲基化和染色質(zhì)可及性的全基因組圖譜。
人類早期胚胎的染色質(zhì)可及性
與小鼠不同,父本基因組的染色質(zhì)已經(jīng)比人類合子中期的母本基因組更加開放,這種狀態(tài)一直維持到4細胞階段。受精后,DNA甲基化高度變異的基因和染色質(zhì)可及性變異高的基因往往是兩套不同的組合。此外,在轉錄活性被抑制時,啟動子中5,155(35%)個廣泛開放的染色質(zhì)區(qū)域中有1,797個關閉,表明轉錄和開放染色質(zhì)維持之間的反饋機制。該研究工作為剖析人類植入前發(fā)育過程中復雜而又高度協(xié)調(diào)的表觀遺傳重編程鋪平了道路。
原文鏈接:Single-cell multi-omics sequencing of human early embryos
2、Cell Res:北大湯富酬研究組通過單細胞RNA-seq分析進行人類胚胎大腦皮層的空間轉錄組學研究
人類大腦發(fā)育的細胞復雜性已被深入研究,盡管基于單細胞轉錄組分析的整個人類大腦皮質(zhì)的區(qū)域特征尚未見報道。在這里,研究人員對來自人類中期胚胎的22個腦區(qū)域的4,000多個個體細胞進行了RNA-seq。研究確定了29個細胞亞群,這些亞群在每個區(qū)域顯示出不同的比例,并且腦橋顯示出特別高的星形膠質(zhì)細胞百分比。
人類胚胎大腦皮層的細胞類型分類
胚胎神經(jīng)元并不像成人神經(jīng)元那么多樣化,盡管它們在成人中具有其命運的重要特征。神經(jīng)元發(fā)育在大腦皮層中是不同步的,因為在此階段背側區(qū)域似乎比腹側區(qū)域更成熟。在每個神經(jīng)元亞群中全面鑒定區(qū)特異性基因,并且這些基因中的大部分與神經(jīng)疾病有關。該研究結果提出了人類大腦皮質(zhì)的區(qū)域化基因表達和神經(jīng)元成熟的系統(tǒng)性景觀。
原文鏈接:Spatial transcriptomic survey of human embryonic cerebral cortex by single-cell RNA-seq analysis
3、Nature:湯富酬研究組與合作者首次繪制人腦前額葉發(fā)育的單細胞圖譜并揭示神經(jīng)元分化成熟機制
2018年3月14日,北京大學北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學學院生物動態(tài)光學成像中心湯富酬研究組與中國科學院生物物理研究所王曉群研究組,攜手北京大學第三醫(yī)院喬杰研究組和首都醫(yī)科大學附屬安貞醫(yī)院張軍研究組聯(lián)合在國際著名學術期刊Nature上在線發(fā)表了題為“A Single-cell RNA-Seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex”的文章。
人腦前額葉細胞發(fā)育圖示
該研究利用單細胞轉錄組測序手段,繪制了人腦前額葉胚胎發(fā)育過程的單細胞轉錄組圖譜,解析了人類胚胎大腦前額葉發(fā)育的細胞類型多樣性及不同細胞類型之間的發(fā)育關系,揭示了神經(jīng)元產(chǎn)生和環(huán)路形成的分子調(diào)控機制,并對其中關鍵的細胞類型進行了系統(tǒng)的功能研究,為繪制最終完整的人腦細胞圖譜,奠定了重要的基礎。
原文:A single-cell RNA-seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex
4、Nature Cell Bio:經(jīng)過多年攻關,湯富酬等研究組系統(tǒng)揭示人類消化道“發(fā)育細胞圖譜”
人類消化道有多少種細胞類型?它們“長”什么樣?經(jīng)過多年聯(lián)合攻關,我國科學家近日在國際上首次全面、系統(tǒng)地闡明了食道、胃、小腸和大腸4種器官在人類胚胎發(fā)育過程中的基因表達圖譜及其信號調(diào)控機制,為消化道生物學研究領域提供了全面、翔實的發(fā)育細胞圖譜數(shù)據(jù)。由北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心(ICG)、北京大學生物動態(tài)光學成像中心及北京大學第三醫(yī)院多個課題組聯(lián)合攻關取得的研究成果,近日在國際知名學術期刊《自然·細胞生物學》上在線發(fā)表。
消化道是人體消化系統(tǒng)中最重要的組成部分,主要由食道、胃、小腸、大腸組成,揭示這4種器官在人類胚胎發(fā)育過程中的基因表達調(diào)控網(wǎng)絡及“細胞類型圖譜”,是發(fā)育生物學領域的重大問題之一?!斑@項研究是國際上首次在單細胞分辨率和全轉錄組條件下,全面、系統(tǒng)地揭示這4種器官不同細胞類型之間的精準發(fā)育路徑和基因表達特征。”多年來致力于人類早期胚胎以及生殖系發(fā)育的單細胞功能基因組學研究的北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心副主任湯富酬教授說。研究人員首先分離并獲取了人類6到25周胚胎中食道、胃、小腸、大腸4種器官以及成年人的大腸總計5277個單細胞,再對其進行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(shù)據(jù)。
在對海量數(shù)據(jù)進行深入挖掘的基礎上,研究團隊全面系統(tǒng)地對這4種器官的發(fā)育進程在基因表達調(diào)控層面進行解析,并獲得許多重要發(fā)現(xiàn)。例如,鑒定出這4種器官共40種不同的重要細胞類型,其中包括在人類胚胎發(fā)育階段的30種細胞類型;首次系統(tǒng)地研究了從胎兒到成年人的大腸的發(fā)育過程,精確鑒定出成年人大腸中10種主要的細胞類型等?!斑@項研究就相當于提供了一個消化道正常細胞的精確圖譜,供研究人員比對,為鑒定多能性干細胞體外分化產(chǎn)生的消化道細胞的基因表達特征提供了重要標準?!睖怀暾f??茖W家的研究和發(fā)現(xiàn),也為4種消化道器官相關癌癥的研究特別是對結直腸癌的癌變機理研究,在基因表達層面上提供了重要參考。“要治療腸癌,就得把癌細胞搞清楚,這就需要跟正常細胞去比對?!睖怀暾f。
5、Nature Genetics:湯富酬和喬杰課題組合作發(fā)表研究成果首次在單細胞水平上揭示人類早期胚胎的DNA甲基化動態(tài)
2017年12月19日,北京大學北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學學院生物動態(tài)光學成像中心湯富酬研究組和北京大學第三醫(yī)院喬杰研究組合作在國際知名學術期刊《自然遺傳學》上在線發(fā)表題為“Single-cell DNA Methylome Sequencing of Human Preimplantation Embryos”的文章。該團隊利用單細胞DNA甲基化組高通量測序方法,首次在單細胞分辨率對人類植入前胚胎發(fā)育過程進行了更加深入的分析,揭示了人類早期胚胎DNA去甲基化和從頭加甲基化的動態(tài)變化、父母本基因組差異甲基化等關鍵特征。
為了進一步在單細胞分辨率研究DNA甲基化重編程過程的動態(tài)特征,該團隊利用單細胞全基因組DNA甲基化組高通量測序技術,對人類植入前胚胎發(fā)育的各個關鍵階段進行了單細胞、單堿基分辨率的系統(tǒng)研究,主要發(fā)現(xiàn)有:1)首次發(fā)現(xiàn)了人類植入前胚胎發(fā)育過程中存在大量特異性的DNA從頭加甲基化。此前研究顯示在著床前的早期胚胎發(fā)育過程中只有大規(guī)模的DNA去甲基化。2)首次發(fā)現(xiàn)從二細胞胚胎階段開始父母本基因組上的剩余甲基化水平發(fā)生逆轉,在同一個單細胞中母本基因組上的剩余甲基化水平顯著高于父本基因組上的剩余甲基化水平。3)首次發(fā)現(xiàn)DNA甲基化在早期胚胎卵裂過程中的不對稱分配可以用來追溯同一個胚胎中每個細胞的遺傳譜系。
原文鏈接:Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos
6、Cell Res:北京大學湯富酬和中科院景乃禾研究組合作揭示H3K27me3修飾和DNA甲基化對胚胎命運決定過程中的重要作用
2018年2月20日,國際著名學術期刊Cell Research在線發(fā)表了中國科學院生物化學與細胞生物學研究所景乃禾研究組和北京大學湯富酬研究組的合作論文“Silencing of developmental genes by H3K27me3 and DNA methylation reflects the discrepant plasticity of embryonic and extraembryonic lineages”。該研究揭示了原腸運動時期胚胎不同部位細胞的DNA甲基化和H3K27me3修飾模式的變化規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)了發(fā)育相關基因在胚外區(qū)域富集DNA甲基化修飾、在胚胎區(qū)域富集H3K27me3修飾的現(xiàn)象,闡明了兩種表觀調(diào)控機制對于介導胚外和胚胎部分細胞發(fā)育潛能的差異具有重要作用。
發(fā)育相關基因區(qū)域的差異表觀調(diào)控促進胚胎發(fā)育的順利進行
細胞命運決定過程的調(diào)控機制是發(fā)育生物學及干細胞研究領域的關鍵問題之一。在小鼠胚胎早期發(fā)育過程中,具有全能性的合子細胞經(jīng)過不斷的細胞增殖后逐漸特化形成滋養(yǎng)外胚層(TE)和內(nèi)細胞團(ICM)細胞。其中TE繼而形成胚外外胚層等細胞,并最終形成胎盤組織等;ICM細胞則發(fā)育形成原始內(nèi)胚層細胞和上胚層細胞,上胚層細胞經(jīng)過原腸運動形成外、中、內(nèi)三個胚層,將來發(fā)育形成完整個體。表觀遺傳調(diào)控在該過程中發(fā)揮著非常重要的作用。在景乃禾研究員和湯富酬教授的指導下,研究人員通過建立了基于少量細胞的染色質(zhì)免疫沉淀技術和亞硫酸鹽測序技術等,研究了小鼠著床后胚胎不同部位細胞的組蛋白H3K27me3 修飾和DNA 甲基化修飾的變化規(guī)律和分布特點,發(fā)現(xiàn)并驗證了著床后胚胎中發(fā)育相關基因在胚胎區(qū)域和胚外區(qū)域調(diào)控機制的差別及其對發(fā)育潛能的影響。這一研究結果為闡明不同表觀調(diào)控對細胞命運及發(fā)育可塑性的影響、認識干細胞的全能性與分化潛能以及干細胞轉化醫(yī)學應用等提供了全新的視角和理論指導。
7、Nature Biot:特邀評論"提升單細胞分析的能力"
單細胞RNA測序(RNA-seq)正在改變我們對復雜生物系統(tǒng)的理解.目前的技術可以在一次實驗中測量數(shù)千個單個細胞的轉錄,從而能夠發(fā)現(xiàn)在群體水平上無法識別的稀有細胞類型和細胞異質(zhì)性。然而,將來自不同單細胞實驗的數(shù)據(jù)組合起來在技術上是很有挑戰(zhàn)性的,如果沒有好的工具,就無法充分利用正在產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。在這個問題上,Haghverdi等人和Butler等人描述了兩種糾正技術錯誤的計算方法,即在獨立單細胞數(shù)據(jù)集的元分析過程中產(chǎn)生的處理效應。他們展示了這些方法是如何發(fā)現(xiàn)新的生物變異和新的細胞類型的,暗示了通過挖掘現(xiàn)有數(shù)據(jù)集可以獲得更多的未知聯(lián)系。
利用相鄰最近和典型相關分析單細胞數(shù)據(jù)集的精確組合
近年來,單細胞轉錄組學的產(chǎn)量和成本迅速提高。 這些技術進步已經(jīng)啟動了大規(guī)模項目,如人類細胞圖譜,旨在從數(shù)百萬個單細胞中產(chǎn)生轉錄組數(shù)據(jù),以確定新的細胞種群和功能。 這種規(guī)模的數(shù)據(jù)生成需要很長時間的參與,使用不同的試劑,分析和測序平臺。 一起分析這些數(shù)據(jù)會導致系統(tǒng)變化,稱為批處理效應,如果不加修正,可能導致虛假的數(shù)據(jù)解釋。 例如,如果使用相同的實驗條件在同一天測量兩個細胞的轉錄組,則可能看起來更相似,如果它們使用不同的技術在不同的時間進行分析。 當這些差異實際上是技術性的時候,可以解釋為生物差異。
原文鏈接:Boosting the power of single-cell analysis
8、Cell Research:單細胞RNA-seq揭示了小鼠精子發(fā)生過程中的動態(tài)過程和關鍵調(diào)節(jié)因子
對雄性生殖細胞進行系統(tǒng)的了解是完全掌握控制精子發(fā)生的分子機制以及制定不孕癥治療和男性避孕新策略的關鍵。在這里,人員開發(fā)了一種方法,通過結合轉基因標記和生精上皮周期的同步,以及隨后的單細胞RNA測序來純化所有類型的同質(zhì)生精細胞。該研究揭示了基因表達中廣泛的和以前未表征的動態(tài)過程和分子特征,以及選擇性剪接的特定模式,以及用于雄性生殖細胞發(fā)育特定階段的新型調(diào)節(jié)劑。轉錄組學分析使我們發(fā)現(xiàn)了在特定階段分離圓形精子細胞的判別標記,以及早期和晚期精子細胞之間不同的胚胎發(fā)育潛能,提供了圓形精子細胞成熟影響胚胎發(fā)育的證據(jù)。這項工作為哺乳動物精子發(fā)生提供了寶貴的見解,并為將來完成闡明配子發(fā)生的研究提供了全面的資源。
原文鏈接:Single-cell RNA-seq uncovers dynamic processes and critical regulators in mouse spermatogenesis
湯富酬
北京大學生命科學學院生物動態(tài)光學成像中心,教授;北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心,北大-清華生命科學聯(lián)合中心,研究員。
實驗室研究領域:
具有自我更新能力和分化潛能的干細胞是哺乳動物胚胎發(fā)育過程中以及成體中的關鍵類型的細胞,對各種干細胞進行深入研究是理解哺乳動物發(fā)育、生長機制的關鍵,也是將干細胞應用于臨床再生醫(yī)學、治療人類疾病的前提。
本實驗室主要圍繞人類早期胚胎發(fā)育研究多能干細胞的自我更新和多能性調(diào)控的分子機理,特別是表觀遺傳學調(diào)控機理,以及相關的早期生殖細胞發(fā)育過程中的表觀遺傳學重編程機理。利用我們發(fā)展的單細胞功能基因組學分析技術(單細胞轉錄組測序技術、單細胞DNA甲基化組測序技術、單細胞染色質(zhì)狀態(tài)組測序技術、單細胞多組學平行測序技術等),以及基因編輯技術、染色質(zhì)免疫共沉淀-高通量測序技術、小鼠胚胎顯微操作技術、以及人類胚胎干細胞體外定向分化等技術在單細胞和單堿基分辨率深入分析人類早期胚胎、生殖系細胞、以及多能性干細胞中基因表達網(wǎng)絡的表觀遺傳學調(diào)控機理。