開掛的人生，北京大學湯富酬課題組6篇高水平文章，在單細胞測序領域取得重大突破

前言

2018年6月4號，北京大學北京未來基因診斷高精尖創新中心、生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬研究組與北京大學第三醫院喬傑研究組、中國科學院生物物理研究所王曉群研究組等人在Cell Research上在線發表了題為「Spatial transcriptomic survey of human embryonic cerebral cortex by single-cell RNA-seq analysis」的研究論文。研究人員對來自人類中期胚胎的22個腦區域的4,000多個個體細胞進行了RNA-seq。研究確定了29個細胞亞群，這些亞群在每個區域顯示出不同的比例，並且腦橋顯示出特別高的星形膠質細胞百分比。該研究結果提供了人類大腦皮質的區域化基因表達和神經元成熟的系統性景觀。這也是北京大學湯富酬課題組繼Nature：A Single-cell RNA-Seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex；Nature Cell Bio:Tracing the temporal-spatial transcriptome landscapes of the human fetal digestive tract using single-cell RNA-sequencing；Nature Genetics：Single-cell DNA Methylome Sequencing of Human Preimplantation Embryos；Cell Res:Silencing of developmental genes by H3K27me3 and DNA methylation reflects the discrepant plasticity of embryonic and extraembryonic lineages;Nature Biot:Boosting the power of single-cell analysis後又一重磅研究成果。iNature編輯部特將湯富酬課題組的這6篇文章總結於此，系統的介紹湯富酬課題組所取得的成果以饗讀者。

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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

人類大腦發育的細胞複雜性已被深入研究，儘管基於單細胞轉錄組分析的整個人類大腦皮質的區域特徵尚未見報道。在這裡，研究人員對來自人類中期胚胎的22個腦區域的4,000多個個體細胞進行了RNA-seq。研究確定了29個細胞亞群，這些亞群在每個區域顯示出不同的比例，並且腦橋顯示出特別高的星形膠質細胞百分比。

人類胚胎大腦皮層的細胞類型分類

胚胎神經元並不像成人神經元那麼多樣化，儘管它們在成人中具有其命運的重要特徵。神經元發育在大腦皮層中是不同步的，因為在此階段背側區域似乎比腹側區域更成熟。在每個神經元亞群中全面鑒定區特異性基因，並且這些基因中的大部分與神經疾病有關。該研究結果提出了人類大腦皮質的區域化基因表達和神經元成熟的系統性景觀。

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Nature:湯富酬研究組與合作者首次繪製人腦前額葉發育的單細胞圖譜並揭示神經元分化成熟機制(點擊閱讀）

2018年3月14日，北京大學北京未來基因診斷高精尖創新中心、生命科學學院生物動態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院喬傑研究組和首都醫科大學附屬安貞醫院張軍研究組聯合在國際著名學術期刊Nature上在線發表了題為「A Single-cell RNA-Seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex」的文章。

人腦前額葉細胞發育圖示

該研究利用單細胞轉錄組測序手段，繪製了人腦前額葉胚胎髮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育的細胞類型多樣性及不同細胞類型之間的發育關係，揭示了神經元產生和環路形成的分子調控機制，並對其中關鍵的細胞類型進行了系統的功能研究，為繪製最終完整的人腦細胞圖譜，奠定了重要的基礎。

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Nature Cell Bio:經過多年攻關，湯富酬等研究組系統揭示人類消化道「發育細胞圖譜」(點擊閱讀）

人類消化道有多少種細胞類型？它們「長」什麼樣？經過多年聯合攻關，我國科學家近日在國際上首次全面、系統地闡明了食道、胃、小腸和大腸4種器官在人類胚胎髮育過程中的基因表達圖譜及其信號調控機制，為消化道生物學研究領域提供了全面、翔實的發育細胞圖譜數據。由北京未來基因診斷高精尖創新中心（ICG）、北京大學生物動態光學成像中心及北京大學第三醫院多個課題組聯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》上在線發表。

消化道是人體消化系統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種器官在人類胚胎髮育過程中的基因表達調控網路及「細胞類型圖譜」，是發育生物學領域的重大問題之一。「這項研究是國際上首次在單細胞解析度和全轉錄組條件下，全面、系統地揭示這4種器官不同細胞類型之間的精準發育路徑和基因表達特徵。」多年來致力於人類早期胚胎以及生殖系發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新中心副主任湯富酬教授說。研究人員首先分離並獲取了人類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的基因表達譜數據。

在對海量數據進行深入挖掘的基礎上，研究團隊全面系統地對這4種器官的發育進程在基因表達調控層面進行解析，並獲得許多重要發現。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髮育階段的30種細胞類型；首次系統地研究了從胎兒到成年人的大腸的發育過程，精確鑒定出成年人大腸中10種主要的細胞類型等。「這項研究就相當於提供了一個消化道正常細胞的精確圖譜，供研究人員比對，為鑒定多能性幹細胞體外分化產生的消化道細胞的基因表達特徵提供了重要標準。」湯富酬說。科學家的研究和發現，也為4種消化道器官相關癌症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。」湯富酬說。

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Nature Genetics：湯富酬和喬傑課題組合作發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

2017年12月19日，北京大學北京未來基因診斷高精尖創新中心、生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬研究組和北京大學第三醫院喬傑研究組合作在國際知名學術期刊《自然遺傳學》上在線發表題為「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，首次在單細胞解析度對人類植入前胚胎髮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變化、父母本基因組差異甲基化等關鍵特徵。

為了進一步在單細胞解析度研究DNA甲基化重編程過程的動態特徵，該團隊利用單細胞全基因組DNA甲基化組高通量測序技術，對人類植入前胚胎髮育的各個關鍵階段進行了單細胞、單鹼基解析度的系統研究，主要發現有：1）首次發現了人類植入前胚胎髮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髮育過程中只有大規模的DNA去甲基化。2）首次發現從二細胞胚胎階段開始父母本基因組上的剩餘甲基化水平發生逆轉，在同一個單細胞中母本基因組上的剩餘甲基化水平顯著高於父本基因組上的剩餘甲基化水平。3）首次發現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。

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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修飾模式的變化規律，並發現了發育相關基因在胚外區域富集DNA甲基化修飾、在胚胎區域富集H3K27me3修飾的現象,闡明了兩種表觀調控機制對於介導胚外和胚胎部分細胞發育潛能的差異具有重要作用。

發育相關基因區域的差異表觀調控促進胚胎髮育的順利進行

細胞命運決定過程的調控機制是發育生物學及幹細胞研究領域的關鍵問題之一。在小鼠胚胎早期發育過程中，具有全能性的合子細胞經過不斷的細胞增殖後逐漸特化形成滋養外胚層（TE）和內細胞團(ICM)細胞。其中TE繼而形成胚外外胚層等細胞，並最終形成胎盤組織等；ICM細胞則發育形成原始內胚層細胞和上胚層細胞，上胚層細胞經過原腸運動形成外、中、內三個胚層，將來發育形成完整個體。表觀遺傳調控在該過程中發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於少量細胞的染色質免疫沉澱技術和亞硫酸鹽測序技術等，研究了小鼠著床後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律和分布特點，發現並驗證了著床後胚胎中發育相關基因在胚胎區域和胚外區域調控機制的差別及其對發育潛能的影響。這一研究結果為闡明不同表觀調控對細胞命運及發育可塑性的影響、認識幹細胞的全能性與分化潛能以及幹細胞轉化醫學應用等提供了全新的視角和理論指導。

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Nature Biot：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

單細胞RNA測序(RNA-seq)正在改變我們對複雜生物系統的理解.目前的技術可以在一次實驗中測量數千個單個細胞的轉錄，從而能夠發現在群體水平上無法識別的稀有細胞類型和細胞異質性。然而，將來自不同單細胞實驗的數據組合起來在技術上是很有挑戰性的，如果沒有好的工具，就無法充分利用正在產生的大量數據。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，即在獨立單細胞數據集的元分析過程中產生的處理效應。他們展示了這些方法是如何發現新的生物變異和新的細胞類型的，暗示了通過挖掘現有數據集可以獲得更多的未知聯繫。

利用相鄰最近和典型相關分析單細胞數據集的精確組合

近年來，單細胞轉錄組學的產量和成本迅速提高。 這些技術進步已經啟動了大規模項目，如人類細胞圖譜，旨在從數百萬個單細胞中產生轉錄組數據，以確定新的細胞種群和功能。 這種規模的數據生成需要很長時間的參與，使用不同的試劑，分析和測序平台。 一起分析這些數據會導致系統變化，稱為批處理效應，如果不加修正，可能導致虛假的數據解釋。 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。

https://www.nature.com/articles/nbt.4131

研究組介紹

湯富酬：

北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心，教授；北京未來基因診斷高精尖創新中心，北大-清華生命科學聯合中心，研究員。

實驗室研究領域：

具有自我更新能力和分化潛能的幹細胞是哺乳動物胚胎髮育過程中以及成體中的關鍵類型的細胞，對各種幹細胞進行深入研究是理解哺乳動物發育、生長機制的關鍵，也是將幹細胞應用於臨床再生醫學、治療人類疾病的前提。

本實驗室主要圍繞人類早期胚胎髮育研究多能幹細胞的自我更新和多能性調控的分子機理，特別是表觀遺傳學調控機理，以及相關的早期生殖細胞發育過程中的表觀遺傳學重編程機理。利用我們發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、單細胞染色質狀態組測序技術、單細胞多組學平行測序技術等），以及基因編輯技術、染色質免疫共沉澱-高通量測序技術、小鼠胚胎顯微操作技術、以及人類胚胎幹細胞體外定向分化等技術在單細胞和單鹼基解析度深入分析人類早期胚胎、生殖系細胞、以及多能性幹細胞中基因表達網路的表觀遺傳學調控機理。

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