責編丨迦溆

人類胚胎發(fā)育是一個極其復雜的過程，從一個單細胞的受精卵開始，首先經(jīng)過著床前胚胎發(fā)育產(chǎn)生胚內(nèi)和胚外組織，再到著床后原腸胚階段三個胚層的特化，進而到器官發(fā)生、分化、成熟，及至新生命的誕生。整個兩百八十天的胚胎發(fā)育過程從一個單細胞受精卵增殖發(fā)育形成含有上萬億個細胞的嬰兒，期間基因表達受到嚴密、精準的調(diào)控，這一過程中的基因表達調(diào)控機制仍然亟需深入研究。

心臟是哺乳動物在胚胎期最先形成的功能器官之一。盡管已有對小鼠胚胎心臟發(fā)育的大量系統(tǒng)研究，但是人類與小鼠的心臟存在著很大差異（例如小鼠的心率是每分鐘600-700次，比人類的心率快近10倍），這提示人類心臟發(fā)育過程有其不同于小鼠模型的獨特特征。

圖1 人類心臟解剖示意圖

2019年2月12日，北京大學未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心湯富酬課題組和北醫(yī)三院喬杰課題組緊密合作在Cell Reports雜志發(fā)表了題為Single-Cell Transcriptome Analysis Maps the Developmental Track of the Human Heart的研究成果，該課題組利用高精度單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對人類胚胎5周至25周心臟的4000多個單細胞進行了系統(tǒng)的分析，為闡明人類心臟發(fā)育的機制奠定了基礎(chǔ)，并為心臟再生的研究提供了重要線索。

該研究的主要發(fā)現(xiàn)有：

1.系統(tǒng)揭示了人類胚胎心臟發(fā)育主要細胞類型的關(guān)鍵時空發(fā)育特征

該研究系統(tǒng)鑒定了人類胚胎期心臟的主要細胞類型，包括心肌細胞、成纖維細胞、內(nèi)皮細胞、瓣膜細胞、心外膜細胞、平滑肌細胞以及各種免疫細胞（包括肥大細胞、巨噬細胞、T細胞和B細胞），揭示了每種細胞類型獨特的基因表達模式，以及各種細胞類型在發(fā)育過程中的豐度變化等重要生物學特征。隨著心臟發(fā)育進展，心房、心室中的心肌細胞比例顯著下降，成纖維細胞、巨噬細胞等非心肌細胞的比例逐漸上升，這說明在發(fā)育過程中成纖維細胞等非心肌類型細胞對心臟發(fā)育的作用可能越來越重要（如圖2所示）。

心臟瓣膜由內(nèi)皮細胞和瓣膜間質(zhì)細胞兩種細胞類型構(gòu)成。該研究發(fā)現(xiàn)瓣膜間質(zhì)細胞在發(fā)育至20周左右時，有明顯的細胞凋亡發(fā)生，這與心臟瓣膜的發(fā)育塑形密切相關(guān)。該研究還發(fā)現(xiàn)心臟的內(nèi)皮細胞根據(jù)空間位置分為心內(nèi)膜內(nèi)皮細胞、血管內(nèi)皮細胞、冠狀動脈內(nèi)皮細胞以及瓣膜內(nèi)皮細胞，顯示出了內(nèi)皮細胞類型的異質(zhì)性以及微環(huán)境特異性。

圖2 人類胚胎發(fā)育過程中各種細胞類型的基因表達特點及豐度變化

心臟壁主要由心肌細胞構(gòu)成。在發(fā)育過程中，心臟會經(jīng)歷由松散心肌小梁重構(gòu)形成緊實心肌層的成熟過程，該研究鑒定了這其間心肌小梁和緊實層心肌細胞的重要基因表達差異。此外，還發(fā)現(xiàn)心肌細胞解剖位置（心房與心室之間，左心房與右心房之間，以及左心室與右心室之間）特異性的基因表達特點，而這些特點在早至胚胎發(fā)育第5周時就已經(jīng)有明確顯現(xiàn)。

2.揭示了心肌細胞和成纖維細胞功能成熟過程的重要特征

心臟發(fā)育過程中，心肌細胞和成纖維細胞呈現(xiàn)出明顯隨發(fā)育時期的變化趨勢，最顯著的特點是活躍增殖的細胞比例大幅度下降，細胞外基質(zhì)相關(guān)的一系列基因表達的協(xié)同上調(diào) （如圖3所示），揭示了心肌細胞和成纖維細胞功能成熟的重要標志和關(guān)鍵分子事件。這也為研究人類多能性干細胞體外分化為功能成熟的心肌細胞提供了高精度的參比標準。

圖3 心臟成纖維細胞發(fā)育過程中的基因表達變化特征

3.揭示了心臟發(fā)育過程中關(guān)鍵信號通路在不同細胞類型之間的協(xié)同互作機制

在心臟發(fā)育過程中，有多條信號通路在不同細胞類型中被依次有序激活。該研究發(fā)現(xiàn)在心臟發(fā)育過程中，NOTCH信號通路主要通過ERBB信號調(diào)控心肌致密化，促進心肌細胞的分化。而在內(nèi)皮細胞和成纖維細胞中，主要通過心肌細胞分泌的BMP5和BMP7信號分子，激活這兩種非心肌細胞中的BMP信號通路，促進其命運分化和功能成熟。這說明在心臟發(fā)育過程中心肌細胞與內(nèi)皮細胞、成纖維細胞等非心肌細胞之間存在復雜的信號通路協(xié)同互作，共同實現(xiàn)了心臟的穩(wěn)步發(fā)育壯大和協(xié)同功能成熟。

4.系統(tǒng)揭示了人類心臟發(fā)育不同于小鼠模型的獨特基因表達特征

該研究通過與已經(jīng)發(fā)表的小鼠心臟發(fā)育的單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)比較，鑒定出一系列人類心臟發(fā)育過程中主要細胞類型特異表達的重要基因，比如在人類心臟中，F(xiàn)GF12在心肌細胞中、RNASE1在內(nèi)皮細胞中、THY1在成纖維細胞中、CFB和ITLN1在心外膜細胞中特異高表達，而這些基因在小鼠心臟對應細胞類型中幾乎不表達，是人類特異性的心臟發(fā)育重要調(diào)控基因；而在小鼠心臟中， Icam2在內(nèi)皮細胞中、Itga4在成纖維細胞中、Hpgd在心外膜細胞中特異高表達，而這些基因在人類心臟對應細胞類型中幾乎不表達，是小鼠特異性的心臟發(fā)育重要調(diào)控基因（如圖4A所示）。該研究還發(fā)現(xiàn)人類與小鼠的心臟中心肌細胞是最為相似的細胞類型，而成纖維細胞等細胞類型的物種間差異較大（如圖4B所示）這為利用小鼠模型研究人類的心臟發(fā)育提供了參比標準。

圖4 人類與小鼠胚胎期心臟發(fā)育的物種特異性基因表達特征

總之，該研究利用高精度的單細胞轉(zhuǎn)錄組測序等技術(shù)，全面、系統(tǒng)地解析了人類心臟發(fā)育過程中主要細胞類型的重要生物學特點，揭示了心臟發(fā)育過程中關(guān)鍵信號通路的時空特異性激活特征以及心肌細胞與非心肌細胞之間的復雜信號互作機制，同時通過與已發(fā)表的小鼠心臟發(fā)育單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)比較，揭示了人類心臟發(fā)育不同于小鼠模型的獨特基因表達特征。該研究深化了對人類心臟發(fā)育機制的理解，并為研究人類多能性干細胞體外分化為功能成熟的心肌細胞提供了高精度的參比標準。

從2010年起，湯富酬課題組和北醫(yī)三院喬杰課題組緊密合作，圍繞人類生殖系細胞（包括著床前胚胎細胞和著床后胚胎生殖細胞）發(fā)育的基因表達調(diào)控機制開展了一系列深入的研究。利用湯富酬課題組發(fā)展的單細胞轉(zhuǎn)錄組高通量測序技術(shù)，他們繪制了完整的人類生殖系細胞的發(fā)育細胞圖譜（著床前胚胎的發(fā)育細胞圖譜[Yan et al., Nature Structural & Molecular Biology, 2013; Dang et al., Genome Biology, 2016]；著床后胚胎生殖細胞的發(fā)育細胞圖譜[Guo et al., Cell, 2015; Li et al., Cell Stem Cell, 2017]），并對其DNA甲基化、染色質(zhì)狀態(tài)等不同層面的表觀遺傳學調(diào)控機制進行了深入的研究（Guo et al., Nature, 2014; Guo et al., Cell Research, 2017; Zhu et al., Nature Genetics, 2018; Li et al., Nature Cell Biology, 2018）。2018年，這兩個團隊還與南方醫(yī)科大學趙小陽課題組合作完成了人類成年男性精子發(fā)生過程中的細胞命運轉(zhuǎn)變和基因表達圖譜的繪制，為男性不育的臨床診斷提供了新的思路（Wang et al., Cell Stem Cell, 2018）（Cell Stem Cell丨趙小陽/喬杰/湯富酬合作組報道人類精子發(fā)生過程中的基因表達調(diào)控網(wǎng)絡與細胞命運轉(zhuǎn)變路徑）。

此后兩個團隊繼續(xù)合作，全面開展人類生殖系細胞以及非生殖系的各種重要器官的發(fā)育細胞圖譜研究，目標是最終獲得人類胚胎發(fā)育所有重要階段、所有主要器官系統(tǒng)的高精度發(fā)育細胞圖譜。2018年，他們與中科院生物物理所王曉群課題組等合作首次繪制了來自外胚層的人腦前額葉發(fā)育的單細胞圖譜，并揭示了神經(jīng)元分化的成熟機制（Zhong et al., Nature, 2018）（首次繪制人類胚胎大腦全皮層轉(zhuǎn)錄組圖譜并揭示區(qū)域發(fā)育異質(zhì)性）；同時，他們還對人類胚胎大腦皮層的所有主要腦區(qū)進行了單細胞轉(zhuǎn)錄組研究，并揭示了大腦皮層的區(qū)域化基因表達和神經(jīng)元成熟的重要特征 （Fan et al., Cell Research, 2018）。以上這些工作為繪制完整的人腦發(fā)育細胞圖譜奠定了重要的基礎(chǔ)。此外，這兩個團隊緊密合作，系統(tǒng)地闡明了來自內(nèi)胚層的消化道四種主要器官（食道、胃、小腸和大腸）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，并進一步解析了從胎兒到成年大腸的發(fā)育、成熟路徑和關(guān)鍵生物學特征 （Gao et al., Nature Cell Biology, 2018）。2018年，這兩個團隊還合作開展了對來自中胚層的腎臟的發(fā)育細胞圖譜研究，深入研究了完整腎單位的細胞分化發(fā)育過程，闡釋了由腎單位前體細胞逐步分化產(chǎn)生不同類型的腎小管上皮細胞過程中對應的轉(zhuǎn)錄調(diào)控事件和信號通路調(diào)節(jié)機制（Wang et al., Cell Reports, 2018）。

據(jù)悉，北京大學未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心博士生崔月利、鄭宇軒和柳溪溪為該論文的并列第一作者，湯富酬教授和喬杰教授為該論文的共同通訊作者。

原文鏈接：

https://www./cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)30108-1