【Nature 子刊】浙大郭国骥/韩晓平团队用小鼠发育的单细胞图谱，揭示出细胞命运调控机制

浙江大学基础医学院郭国骥/韩晓平团队，一直以来都专注于单细胞测序与细胞命运决定的相关研究，并自主研发出Microwell-seq这一高通量和低成本的单细胞分析平台。利用Microwell-seq平台，他们构建了世界上第一个小鼠细胞图谱和人类细胞景观，并于2018年和2020年分别在CELL和NATURE上发表了首个小鼠细胞图谱和人类细胞图谱。在前期的基础上，研究团队对小鼠七个重要发育阶段的十个重要组织进行了单细胞转录组分析，从早期胚胎期到成年成熟期，共获得超过520000个单细胞转录组数据，详细描绘了小鼠谱系发育和成熟过程的细胞状态流形图，并揭示了控制细胞命运决定的基因调控网络。相关研究结果于2022年7月11日发表在《Nature Genetics》。

https://www.nature.com/articles/s41588-022-01118-8

Waddington理论

作为一个经常被用来隐喻细胞分化的沃丁顿的表观遗传景观理论，该理论阐明了各种细胞类型起源于不稳定的干细胞/祖细胞状态，最终落入稳定的细胞命运吸引子。多细胞生物发育过程的高度可重复性表明有一套系统的调控程序可以控制细胞命运的决定。我们还发现，在无脊椎动物和脊椎动物的发育过程中广泛活跃的谱系共同调节程序。从单细胞数据中衍生出来的状态流形的新兴概念进一步增强了我们对谱系进展的理解。这些状态流形背后的基因调控程序是什么？它们是如何监管的？这两个问题在这个领域仍然十分神秘。

研究概述

该研究分析了胚胎早期到成年成熟期多个组织器官的基因表达变化，时期包括胚胎E10.5,E12.5,E14.5,以及出生后0天（P0），P10，P21和成年（6-10周）。组织覆盖神经、呼吸、消化、循环、泌尿、生殖等系统。研究显示谱系发育是一个转录混乱度逐渐下降的熵减过程。研究者建立了系统的转录因子调控网络，识别了超900个regulon（转录因子-靶基因的组合），并且识别了15种不同的表达模式，其中包含了谱系特异性的表达模式和跨谱系共有的表达研究者比较了不同细胞谱系的分化特征，发现了跨谱系命运决定的共性调控因子。

团队在小鼠图谱的基础上进一步整合已发表的无脊椎动物（涡虫、线虫、海鞘和水螅）和脊椎动物（斑马鱼和人类）发育图谱，探索发育的保守性特征。通过建立了跨物种细胞“状态流形”图谱，研究者发现了其中谱系特异调控元件参与指导细胞类型的出现。在跨物种谱系共有调控元件的分析中，研究者发现转录因子Xbp1在所有七个物种的发育过程中都出现了跨谱系谱系共有上调的情况。团队利用CRISPR/Cas9技术获得Xbp1+/-基因编辑小鼠，并利用单细胞转录组测序和蛋白质质谱分析，解析Xbp1敲除胚胎的表型。研究发现，Xbp1的缺失，导致了干祖细胞类型的增殖和谱系分化细胞类型的减少；在转录和蛋白水平上，干性基因上调，熵值增加，而谱系特异性基因下调，这些都暗示了Xbp1在跨谱系的分化过程中起着共性调控的作用。该工作为细胞命运决定的相关研究提供了的全新见解，并为细胞“状态流形”的新理论提供了数据资源。

研究意义

我们在单细胞水平上构建了小鼠发育过程中分化谱系的细胞景观，并描述了细胞类型成熟过程中的谱系共同和谱系特异性调控程序。与此同时，我们发现Xbp1是不同物种间细胞命运决定的进化保守调控因子，并且证明了Xbp1的转录调控对于多种小鼠细胞类型的基因调控网络的稳定是重要的。这一研究结果为细胞基因调控程序提供了遗传学和分子学方面的见解，并将为进一步推进对细胞命运的调控机制理解奠定基础。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://phys.org/news/2022-07-scientists-cell-fate-regulatory-single-cell-atlas.html

https://www.nature.com/articles/s41588-022-01118-8

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。