Cell Discovery:首次在单细胞水平解析猪与灵长类动物胚胎发育差异 | CNGBdb支撑发表科研成果速递

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2021年2月2日,由深圳华大生命科学研究院与得克萨斯大学西南医学研究中心(UT Southwestern Medical Center)组成的科学家团队在《细胞发现》(Cell Discovery)杂志上联合发表题为“Cross-species single-cell transcriptomic analysis reveals pre-gastrulation developmental differences among pigs, monkeys, and humans”的研究文章,首次在单细胞水平解析了猪与灵长类胚胎早期发育的差异。

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本研究依托深圳国家基因库完成全部生物信息学数据分析,猪胚胎scRNA-seq数据已存储于国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号为:CNP0000872

研究背景

不同物种干细胞及早期胚胎发育的异同一直以来都是发育进化研究的热点。在前期异种发育研究中,该科学家团队通过同时激活相同的信号通路(FGF/Erk,TGF-β/Smad,WNT/β-Catenin),在包括人、马、小鼠等多个物种中建立了具有“Formative”特征的稳定细胞系,并且从实验和多组学数据分析角度证实这些细胞系的确是一种介于Naïve和Primed之间的细胞状态,说明这些信号通路在不同物种的干细胞发育调节中具有保守性(文章详见《德克萨斯大学西南医学中心携手华大研究院,建立全新的全能干细胞》)。 

此外,该团队也首次发现不同物种间干细胞在特定阶段普遍存在细胞竞争现象。始发态(Primed)小鼠上胚层干细胞(mEpiSCs)可以诱导与之共培养的始发态(Primed)人胚胎干细胞(H9 ESCs)程序性死亡。并且这种现象同样存在其他异种始发态(Primed)干细胞共培养体系中(大鼠、猕猴、人和牛),这一发现为深入理解异种嵌合发育的壁垒机制提供了思路(文章详见《Nature:首次报道发现细胞竞争是阻碍跨物种嵌合体形成的壁垒之一》)。

研究内容

在本次发表的文章中,科学家团队进一步通过单细胞测序手段首次在单细胞水平上比较分析猪、人、猴早期胚胎发育的异同。该团队首先建立了结合酶消化以及机械力作用的技术方法,高效地获得猪卵裂期及囊胚期胚胎单细胞。基于此方法,首次获得了猪原肠胚形成期前期(pre-gastrulation)四个不同阶段的胚胎不同谱系的单细胞数据,其中包括早期囊胚(E5-6),晚期囊胚(E7-8),球形胚胎(E10-11)和丝状胚胎(E12-13)等胚胎内细胞团(ICM),外胚层(EPI),胚胎滋养层(TE),内胚层(HYPO)的单细胞数据。

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该团队进而通过单细胞数据分析,确定了猪、人和猴子之间胚胎外胚层多能性对应时期范围(Developmental coordinate of pluripotency spectrum),并揭示了不同物种在多能性发生进程(Pluripotency progression)、代谢转变、多能性的表观遗传和转录调控、细胞表面蛋白以及滋养外胚层发育等方面存在物种特异性差异。这些差异可能是阻止供体细胞与宿主胚胎细胞之间的正确识别和通讯,从而导致异种嵌合率低下的潜在原因。这些结果为哺乳动物发展过程中进化保守和差异过程提供了新的见解。

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研究意义

该文章由深圳华大生命科学研究院顾颖博士团队与得克萨斯大学西南医学研究中心吴军博士团队共同完成,深圳华大生命科学研究院的刘田宾、李洁,得克萨斯大学西南医学研究中心的于乐谦博士为该文章的共同第一作者。

顾颖博士称:单细胞测序技术的发展为深度解析胚胎发育及器官再生机制带来了无限可能。本研究首次获得猪延长期胚胎单细胞数据,并通过跨物种比较分析解析了异种胚胎早期发育差异,为后续进一步深入研究异种嵌合发育的壁垒机制提供了重要信息。

吴军博士表示: 不同物种早期发育的单细胞转录组学比较将有助于了解进化的保守和发散过程,并有助于克服种间嵌合体形成过程中的发育不相容性。

参考文献 Liu, T., Li, J., Yu, L. et al. Cross-species single-cell transcriptomic analysis reveals pre-gastrulation developmental differences among pigs, monkeys, and humans. Cell Discov 7, 8 (2021).
信息来源:“BGI华大”公众号
图片来源:“BGI华大”公众号和Cell Discovery官网

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