Cell:重磅!科学家利用单细胞测序研究人类心脏发育

发布时间:2021-04-08 09:22:44
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人类心脏起源于中胚层,发育成心管,在受孕后21天左右开始跳动。30天后心管循环,形成四个单独的心腔和心外膜。随后,流出道(OFT)分化,心室肌外侧部分转化为致密心肌和间隔。最终,OFT分为主动脉和肺动脉,大部分的心脏间隔在妊娠早期结束时完成。这些复杂的事件是复杂和适时的基因表达相互作用的结果,这些相互作用与作用于发育中心脏的每个部分的空间和功能程序有关。

鼠类和人类心脏发育之间存在差异。因此,需要对人类发育组织进行空间解析的单细胞转录数据。

基于此,瑞典皇家理工学院基因技术系主任Joakim Lundeberg教授带领团队提出了一种分子方法,揭示了在胚胎心脏的三个发育阶段细胞类型的综合转录图谱,并将细胞类型特异性基因表达映射到特定的解剖结构域。该项工作以“A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart”为题发表在《Cell》上杂志。


研究人员发现在所研究的时间窗(4.5-9 PCW)内,空间基因表达在胚胎发育的早期建立并维持,并且心脏内区域之间的基因表达差异比时间点之间的差异更明显。
 

心脏三个发育阶段的全时空分析, doi:10.1016/j.cell.2019.11.025

进一步研究,发现心脏上部细胞多样性丰富,包括OFT、心房的主要部分、AV心外膜下间质、瓣膜装置和带有肺静脉的纵膈组织。


 6.5–7 PCW人胚胎心脏的单细胞分析, doi:10.1016/j.cell.2019.11.025

接下来,研究人员使用单分子RNA荧光原位杂交(smFISH)交叉验证了三个ISS基因探针的结果,其产生的模式与测序观察到的模式相似。研究人员将ISS的亚细胞空间分辨率应用于ST分析的三个心脏组织。设计一个基因面板,利用来自两个匹配的6.5–7 PCW生物样本的ST和scRNA序列分析的信息。


  通过smFISH验证ISS数据, doi:10.1016/j.cell.2019.11.025

研究人员还发现了空间细胞映射证实了ST预测的团簇的空间分布,并解析了由彼此靠近的不同细胞类型形成的更精细的结构。


人类心脏发育中期的细胞类型图, doi:10.1016/j.cell.2019.11.025

ISS结果通过将scRNA-seq结果与相应空间标记基因的结果进行比较。心脏神经嵴细胞仅在早期出现,而雪旺祖细胞仅在后期出现。心脏神经嵴细胞在任何时间点均不存在于房室结下心外膜间质中,但雪旺祖细胞在后期填充该区域。


  心脏发育三个阶段的靶向时空分析, doi:10.1016/j.cell.2019.11.025

最后,该研究团队提供了一个公开的网络资源,以直观地探索调控人类心脏发育的空间基因表达模式(https://hdca-sweden.scilielab.se/a-study-on-human-heart-development/)。


三维基因表达图谱, doi:10.1016/j.cell.2019.11.025

综上所述,该研究团队利用单细胞时空方法研究了人类心脏的发育,并构建了一种分子方法,可用于探索其他生物的发育过程。该研究团队的方法可以探索组织中的整体空间转录模式,消除其细胞异质性,并选择性地靶向具有导致细胞类型差异的空间异质性表达模式的关键基因。该研究团队的心脏发育模型是第一个具有单细胞空间分辨率的器官范围人类发育转录图谱。为了方便开发,该研究团队创建了一个公开的网络资源,可以用来研究和可视化二维和三维模型(https://hdca-sweden.scilielab.se/a-study-on-human-heart-development/)心脏发育过程中基因时空表达模式的研究。
 
来源:生物谷