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《英揭示有袋动物胚胎发育和X染色体失活单细胞转录组图谱》

  • 来源专题：生物科技领域知识集成服务
  • 编译者： 陈方
  • 发布时间：2020-09-10

  • 大约在1.6亿年前，有袋类哺乳动物与真兽亚纲哺乳动物相分离，有袋类动物显示出独特的发育特征，最显著的就是在胚胎发育过程中，其中晚期着床和印迹X染色体失活与XIST样非编码RNA RSX的表达有关。
    2020年8月19日，英国弗朗西斯·克里克研究所研究人员以有袋动物灰短尾负鼠（Monodelphis domestica）为研究对象进行研究，鉴于胚胎单细胞RNA测序可以在前所未有的分辨率水平揭示发育过程中的转录情况，研究人员利用单细胞RNA测序、谱系分析、胚胎免疫荧光分析、SNP分析、X染色体灭活及表达分析、RSX和XSR来源分析等，对灰短尾负鼠的胚胎发育和X染色体失活进行了研究，揭示了表皮细胞、原始内胚层和滋养外胚层的发育轨迹和转录特征，并鉴定了真兽亚纲动物-有袋动物分离之前深度保守的谱系特异标记。RSX包被和X染色体失活在发育早期快速产生。该研究结果支持以下假说：在具有早期X染色体失活的生物中，印迹X染色体失活可阻止双等位基因X染色体沉默。研究人员表示由活跃X染色体表达的RSX反义转录物XSR可能是印迹X染色体失活的调节因子。该研究数据集在进化上提供了对哺乳动物胚胎发育和X剂量补偿的新见解，揭示了有袋动物胚胎发育和X染色体失活单细胞转录组图谱。相关研究成果发表在Nature上。
    宋琪 编译自https://www.nature.com/articles/s41586-020-2629-6
    原文标题：A single-cell transcriptome atlas of marsupial embryogenesis and X inactivation

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    • 编译者：huangcui
    • 发布时间：2017-12-27
    • 2017 年 12 月 19 日，北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬研究组和北京大学第三医院乔杰研究组合作在国际知名学术期刊《自然遗传学》上在线发表题为“Single-cell DNA Methylome Sequencing of Human Preimplantation Embryos”的文章。该团队利用单细胞 DNA 甲基化组高通量测序方法，首次在单细胞分辨率对人类植入前胚胎发育过程进行了更加深入的分析，揭示了人类早期胚胎 DNA 去甲基化和从头加甲基化的动态变化、父母本基因组差异甲基化等关键特征。 在哺乳动物基因组上，胞嘧啶（主要是 CpG 二连体中的胞嘧啶）在 DNA 甲基化酶的催化下会发生甲基化。研究显示，DNA 甲基化对多个生物学过程都至关重要，如基因表达抑制、转座子转录活性调节、X 染色体的失活，以及基因组印记的维持等。北京大学汤富酬教授团队与北医三院乔杰教授团队长期密切合作，一直着力于探索人类发育过程中表观遗传学修饰层面的变化。该团队利用国际领先的微量细胞 DNA 甲基化组高通量测序技术，于 2014 年在国际上首次绘制了人类植入前胚胎发育过程中的 DNA 甲基化组图谱 (Guo et al., 2014)，并进而于 2015 年首次绘制了人类原始生殖细胞的转录组和 DNA 甲基化组图谱(Guo et al., 2015)，为深入理解人类早期胚胎发育过程中的两轮 DNA 甲基化组重编程过程的主要特征提供了重要参考。 为了进一步在单细胞分辨率研究 DNA 甲基化重编程过程的动态特征，该团队利用单细胞全基因组 DNA 甲基化组高通量测序技术，对人类植入前胚胎发育的各个关键阶段进行了单细胞、单碱基分辨率的系统研究，主要发现有： （1）首次发现了人类植入前胚胎发育过程中存在大量特异性的 DNA 从头加甲基化。此前研究显示在着床前的早期胚胎发育过程中只有大规模的 DNA 去甲基化。而此次研究数据显示，精子和卵细胞结合受精之后，在人类早期胚胎大规模 DNA 去甲基化的同时，也存在大量高度特异的 DNA 从头加甲基化，这表明在人类早期胚胎第一轮 DNA 甲基化组重编程过程中，全局的 DNA 去甲基化‘净结果’实际上是高度有序的大规模 DNA 去甲基化和局部 DNA 加甲基化两种分子过程相互拮抗产生的动态平衡的结果。该研究同时发现，这些 DNA 从头加甲基化起主导作用的区域主要集中在 DNA 重复序列区域，暗示 DNA 从头加甲基化过程对抑制潜在的转座子转录活性、维持基因组稳定具有重要的调控功能。 （2）首次发现从二细胞胚胎阶段开始父母本基因组上的剩余甲基化水平发生逆转，在同一个单细胞中母本基因组上的剩余甲基化水平显著高于父本基因组上的剩余甲基化水平。通过杂合 SNP 信息精准区分每个单细胞中父本和母本基因组 DNA 甲基化情况，该研究发现父本基因组去甲基化的速度远比母本基因组快，胚胎发育到二细胞阶段以后，父本基因组的 DNA 甲基化水平远低于母本基因组的 DNA 甲基化水平，而且这一特征一直持续到着床后的胚胎阶段。首次揭示了即使在第一轮 DNA 甲基化组重编程结束后，在着床后的胚胎以及胚外组织中父母源的 DNA 甲基化仍然是不对称分布的，母本来源的 DNA 甲基化记忆要多于父本来源的 DNA 甲基化记忆，对早期胚胎发育的潜在影响可能更大。 （3）首次发现 DNA 甲基化在早期胚胎卵裂过程中的不对称分配可以用来追溯同一个胚胎中每个细胞的遗传谱系。 此项研究工作首次实现了人类早期胚胎发育过程中 DNA 甲基化组重编程在单细胞分辨率和单碱基精度的深入研究，新的研究结果对于我们进一步理解 DNA 甲基化在早期胚胎发育过程中的动态、精准调控，父母本基因组甲基化差异，以及每个胚胎内部不同单细胞间 DNA 甲基化组的异质性都具有非常重要的意义. 北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心朱平博士（现为中国医学科学院血液病医院血液学研究所副研究员）、郭红山博士、侯宇博士，以及北京大学第三医院博士生任一昕为该论文的并列第一作者；北京大学生命科学学院汤富酬研究员、北京大学第三医院乔杰教授、闫丽盈研究员为该论文的共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、北京市科学技术委员会、国家高技术研究发展计划、北京未来基因诊断高精尖创新中心的资助
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  • 《动物所等绘制灵长类胚胎原肠运动至早期器官发育转录组图谱》
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    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-02-14
    •   人的生命始于精子与卵子融合形成受精卵（胚胎期第0天；Embryonic day 0；E0），受精卵经历卵裂形成囊胚，囊胚在E7左右种植到母体子宫进一步发育。E14开始，胚胎经历原肠运动，胚胎后部细胞发生大规模定向迁移，并形成原条细胞。原条细胞进一步分化为中胚层和定型内胚层（definitive endoderm），同时胚胎前部细胞分化为外胚层。基于此，胚胎发育成为具有内胚层、中胚层和外胚层的三胚层胚胎。经过复杂的信号通路调控，三胚层胚胎进一步形成各种器官原基，并最终形成我们身体中包括神经系统、消化系统、呼吸系统、心血管循环系统、泌尿生殖系统等所有系统的各种器官。原肠运动和三胚层分化异常与多种出生缺陷（如先天性心脏病和神经管畸形等）和发育源性疾病相关。探索人类早期胚胎发育过程及机制对于这些疾病的诊断和治疗至关重要。为了精准地描述不同发育时期人类胚胎特征并进行物种间胚胎发育比较，自20世纪早期美国卡耐基研究所的Franklin Mall等将人类胚胎发育的前60天（E0-E60）划分为23个发育时期，即Carnegie stage（CS1-CS23）。目前，通过体外胚胎培养等方法，人类CS1-CS6（E0-E14）胚胎发育事件已被多个团队解析；借助一枚宝贵的在体胚胎，人类CS7胚胎的关键发育事件（原肠运动等）也开始被阐明。然而，由于临床诊疗规范限制，人CS8-11的正常胚胎极难获得，因此尚无关于在此阶段发生的中晚期原肠运动和早期器官发育事件的研究。非人灵长类（如食蟹猴）在进化、生理特征及胚胎发育方面与人类高度类似，可作为研究人类早期胚胎发育的替代模型。由于人类早期胚胎难于获得，一些人类早期胚胎上难以回答的问题可借助非人灵长类胚胎实现。   12月14日，中国科学院动物研究所王红梅和郭帆团队、美国德克萨斯大学西南医学中心吴军团队以及安徽医科大学蒋祥祥团队合作，在《自然》（Nature）上，发表了题为Primate gastrulation and early organogenesis at single-cell resolution的研究论文。该研究以食蟹猴为模型，利用单细胞转录组测序和干细胞分化模型等，绘制了食蟹猴CS8-CS11时期（E20-E29）胚胎的单细胞转录组图谱，揭示了原肠运动和三胚层分化（神经管、体节、肠管等的发育）过程中重要细胞类群的特征及其谱系发生和调控机制，并比较了啮齿类和灵长类早期胚胎发育事件的进化差异。   研究收集了CS8-CS11阶段的食蟹猴胚胎，利用10X单细胞转录组测序技术捕获了56636个单细胞并进行生物信息学分析，明确定义了食蟹猴该时期的38个主要细胞类群，绘制了目前国际上第一张灵长类CS8-CS11胚胎的高通量单细胞转录组图谱（图1）。   啮齿类动物（小鼠）原肠运动阶段的胚胎三胚层细胞分化过程已有相对全面清晰的描述，但在灵长类动物上的研究仍非常有限。为了探讨灵长类原肠运动阶段胚胎三胚层细胞分化的精细过程，研究通过RNA轨迹分析描绘了原条细胞的三向分化潜能——初始中胚层（nascent mesoderm）、定型内胚层和原结（node）。其中，初始中胚层可进一步分化为神经中胚层祖细胞（neuromesoderm progenitor，NMP）、前体节中胚层（presomite mesoderm，PSM）、轴旁中胚层（paraxial mesoderm）、中间中胚层（intermediate mesoderm）、侧板中胚层（lateral plate mesoderm）、生心中胚层（cardiac mesoderm）和胚外中胚层（extraembryonic mesoderm）等细胞类型；定型内胚层与原肠运动之前形成的脏壁内胚层（visceral endoderm）共同贡献于肠管（gut tube）的形成；原结进一步参与轴正中中胚层（axial mesoderm）的形成。此外，研究基于生物信息学分析推测，由外胚层分化而来的神经管前后不对称和背腹不对称的发育模式是由WNT、SHH和TGB-β等信号在胚胎前后轴和背腹轴的不对称表达所介导。   哺乳动物早期胚胎发育过程在进化上高度保守，但不同物种哺乳动物的早期胚胎发育过程存在特异的分子特征。研究全面比较了相同发育阶段的小鼠和食蟹猴胚胎的转录组差异（图3），揭示了两物种胚胎中对应细胞类型的分化调控异同。研究发现，T、EOMES和TBX6基因在小鼠和食蟹猴的原条、初始中胚层、神经中胚层祖细胞和外胚层细胞中的表达模式不同。此外，与小鼠相比，Hippo信号通路的多个下游基因在食蟹猴的NMP/PSM中被显著上调。为剖析Hippo信号通路在灵长类动物与啮齿类动物NMP/PSM形成过程中的不同作用，研究构建了人、猴和小鼠胚胎干细胞诱导产生的NMP/PSM体外模型，同时，通过添加抑制剂等实验发现，Hippo信号通路在灵长类NMP/PSM细胞仍保持高度活化状态，而在小鼠NMP/PSM细胞中被抑制（图3）。由此，研究推测，Hippo信号通路在人和猴NMP/PSM细胞中的高度活化状态可能与灵长类胚胎体轴更长、胚胎体积更大及发育周期更长等体征密切相关。   基于干细胞的人类胚胎模型（类胚胎）对人胚胎早期发育研究至关重要。近年来，类原肠胚、类神经胚、心脏类器官及类体节的模型相继构建成功。然而，由于缺乏灵长类动物体内相应时期胚胎的发育数据，这些胚胎模型对在体真实胚胎的模拟程度无法被直接证实。本研究为未来相应时期胚胎模型的构建提供了在体的比对数据。同时，研究利用这一在体数据，初步探究上述胚胎模型与在体胚胎的相似度，发现上述胚胎模型在细胞类型方面与在体胚胎存在一定相似性，但在关键信号通路激活程度、转录因子表达等多方面与在体胚胎存在差异。   综上，本研究揭示了灵长类动物原肠运动至早期器官发育阶段胚胎的细胞组分与分子特征、细胞谱系发生过程及分子调控机制。该工作推进了灵长类胚胎原肠运动至早期器官发育阶段领域的研究进展，为人类胚胎模型的研究提供了必要的在体数据参考，并为阐释人类早期胚胎发育过程的调控机理以及发育异常相关疾病的病理奠定了坚实基础。
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