文献解读| 利用单细胞转录组测序技术绘制人类发育图谱

近日，瑞士巴塞尔大学研究团队在 Cell（IF：38.637）杂志发表题为“Charting human development using a multiendodermal organ atlas and organoid models”的研究论文。该研究利用单细胞转录组测序技术绘制了高质量的人类胚胎时期肠道等内胚层器官的转录组图谱，并筛选器官发育过程中重要的调控因子，为胚胎组织与类器官的结合分析提供了研究思路。接下来小编带大家一起走进这篇文章，解读作者的研究思路及主要结论。

图文摘要

研究背景

单细胞转录组测序技术为了解发育中的人体器官开辟了新途径，利用该技术绘制人类细胞图谱可作为人类细胞和组织工程的金标准参考，并可用于体外模型的保真度评估，为了探究人类发育过程中的多样性，本研究建立了一个单细胞转录组图谱，覆盖了人类呼吸道和胃肠道(GI)的多个发育中的内胚层器官。

主要结论

1. 构建发育中的人类多器官细胞图谱来鉴定器官特征

通过整合来自怀孕后7-21周胚胎的肺、食道、肝脏、胃、小肠（十二指肠、空肠和回肠）和结肠的新生成的和已发表的单细胞转录组数据（共155,232个细胞），构建了一个发育中的人类多器官参考细胞图谱，并重点关注内胚层衍生器官。聚类分析表明，主要包括上皮细胞、间充质细胞、免疫细胞、内皮细胞、神经元细胞和红细胞类群，进一步可细分为27个不同的亚群。其中，上皮细胞和间充质细胞的器官特异性最强，并且在每个器官的上皮细胞和间充质细胞中鉴定了高丰度表达的转录因子。

多个内胚层来源器官的发育中的人类细胞图谱构建

为了解决上皮异质性问题，本研究分别对每个器官进行了亚群分析，并根据marker基因对细胞类型进行了注释。共确定了39个亚群，并包含每个器官先前已知的上皮细胞类型。然后本研究从每个器官中提取干细胞亚群，以确定器官间的相似性和差异性。器官图谱中发现的干细胞相关的常见基因在代谢（糖酵解和糖异生）和翻译起始过程中富集。此外，本研究还对不同器官上皮干细胞转录因子进行伪空间轨迹排序。这些数据提供了一个分子谱目录，用于标记发育中的人类内胚层衍生上皮细胞类型。

不同器官的上皮细胞异质性和干细胞差异

本研究分析了神经元和间充质细胞的多样性，共得到 6个胶质细胞和8个神经元亚群，其中大多数分布在器官之间。然后对21个分子上不同的间充质细胞群进行分类，并识别已知的亚群，如血管平滑肌细胞（DES+/ RGS5+)， Cajal间质细胞（ANO1+/KIT+），软骨样细胞(SOX9+/COL9A3+)，以及新的亚群，如GDF10+（GDF10+/WNT2B+）和高SERPINF1（SERPINF1+/ABCA8+）细胞。研究发现肺相关间充质与胃肠间充质有很大的不同，并确定了表征肺胃肠道身份的TFs和信号分子。

间充质亚型的器官特异性和上皮-间充质信号传导

2. 通过比对多器官参考图谱揭示人类肠道类器官的保真度

为了利用转录图谱来验证肠道类器官的保真度，本研究用胚胎干细胞构建衍生的肠道类器官（HIOs），并移植到免疫缺陷小鼠的肾囊中，分别于4周和8周时分析细胞异质性。移植的HIOs（tHIOs）表现出与人类肠道发育相似的上皮成熟特征。然后，本研究对tHIOs进行了单细胞转录组测序，结果表明tHIO包含多种上皮细胞和间充质细胞，其中大部分以高保真度映射到发育中的小肠上。

HIOs可重现发育中小肠的特征

3. 整合 HIO 和原发性十二指肠数据可以追踪人类肠道干细胞发育过程中的分子轨迹

本研究绘制了成人十二指肠的单细胞转录组图谱，并整合了tHIO、发育中的和成人的肠上皮细胞亚型，以量化tHIO上皮细胞的成熟度，结果表明，与成人的干细胞相比，tHIO干细胞更类似于发育中的肠道细胞。然后，研究采用单细胞转录组测序技术分析了从内胚层诱导成HIO过程中的多个不同时间点的样品，以阐明诱导肠道干细胞命运决定的早期分子转变。鉴于HIO的早期分化事件没有人类参考图谱，于是将体外类器官时间进程与小鼠原肠胚形成图谱进行比较。最终，数据分析结果表明，整合HIO和原始组织数据可以实现将肠道干细胞发育从早期到成熟阶段的时间重建。

参考组织和类器官图谱揭示发育中小肠上皮祖细胞和干细胞的状态

4. NRG1在多能性层面促进体外肠上皮干细胞的成熟

为了进一步研究NRG1在肠道发育中的调节作用，比较了在体外HIO培养中添加不同浓度的NRG1以及EGF时类器官的发育及其单细胞转录组测序数据。为了确定每种上皮细胞类型的器官特征，本研究将这些细胞比对到发育中的多器官图谱中。分析结果表明，细胞外基质（ECM）的组合信号分子调控了IESC的命运和成熟。HIO是探索这些分子机制的强大系统。

体外实验显示NRG1促进肠上皮干细胞成熟

5. CDX2 缺失导致肠细胞命运的丧失和前肠上皮和间充质特征的获得

使用不同时间进程HIOs的单细胞转录组数据构建了一个TF共表达网络，发现其中CDX2 与早期祖细胞中共表达的基因有一致的定位。进一步研究结果发现CDX2 被预测可以调节间充质细胞中的一些HOX 基因和一些肠道富集的TFs（如HAND1和NKX2-3）。最终，本研究证明了CDX2 在人类肠道发育过程中对上皮细胞和间充质细胞的命运获取是至关重要的，并提供了详细的分析，确定了在人类肠道发育过程中控制上皮细胞和间充质细胞的特性和相互作用的可能机制。

CDX2 缺失导致肠细胞命运的丧失以及前肠上皮和间充质特征的获得

亮点总结

1. 绘制多种发育中的人内胚层衍生器官的细胞图谱；

2. 器官特异性上皮干细胞和间充质细胞特征的鉴定；

3. 使用多种器官图谱对肠道类器官的保真度和成熟度进行基准测试；

4. 探究上皮和间充质发育的遗传和培养扰动。

参考文献

Yu Q, Kilik U, Holloway EM, et al. Charting human development using a multi-endodermal organ atlas and organoid models. Cell. 2021; 184(12): 3281-3298.