单细胞转录组学绘制人类垂体发育过程的谱系 [复制链接]

研究背景

垂体前叶在调节身体生长、生殖、新陈代谢和应激反应等各种生理过程中起着重要作用。垂体前叶的发育为阐明器官形成机制提供了一个极好的系统模型。本文对4,个人胎垂体细胞进行单细胞RNA测序(scRNA-seq)。绘制了人类垂体发育的轨迹，定义了垂体中不同的细胞亚状态和亚型，阐明了垂体发育过程中细胞命运分化的转录组动力学。

方法流程

研究结果

1

scRNA-seq分析人类垂体的发育

对21例受精7~25周的人胎垂体进行scRNA-seq，得到4,个细胞。无监督聚类后得到14个细胞簇。细胞类型主要有垂体前叶内分泌细胞、间充质细胞、垂体后叶细胞、内皮细胞、免疫细胞和红细胞。在垂体前叶内分泌细胞中鉴定了9个细胞亚群，分别为干细胞(Stem)、循环细胞(CC)，促皮质激素细胞，POU1F1(PIT-1)谱系的祖细胞(Pro.PIT1)，生长激素细胞，泌乳素细胞，促甲状腺激素细胞，促性腺激素的前体细胞(Pre.Gonado)和促性腺激素细胞。其中PITX1和PITX2在垂体前叶内分泌细胞中均有表达，SOX2和PROP1在干细胞中特异性表达。

对激素基因进行免疫荧光染色探究内分泌细胞分化的时机。结果显示第7周最早出现皮质激素，第8周出现生长激素细胞和促性腺激素细胞，第10周出现促甲状腺激素细胞，第16周出现泌乳素细胞。该研究数据为人类垂体的发育轨迹提供了全面信息。

图1人类胎儿垂体细胞类型的多样性

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垂体干细胞的特征

对垂体干细胞进行基因富集分析，发现在干细胞中富集多种信号通路如转化生长因子-β(TGF-β)、NOTCH、WNT、HEDGEHOG等信号通路，也富集紧密连接信号通路、ECM受体相互作用信号通路。干细胞和间充质细胞之间存在的配体受体基因，提示间充质细胞可能参与干细胞的调控。对干细胞进行再聚类得到3个干细胞亚群(Stem1，Stem2，Stem3)。发现Stem1细胞主要来源于早期垂体(7-10周)，而Stem3细胞主要来源于晚期垂体(19-25周)，表明干细胞中细胞状态伴随时间转变。差异基因显示在Stem1细胞中富集“干细胞增殖”基因(HMGA2)，而Stem3细胞中富集“细胞增殖负调控”基因（CDKN1A）。在Stem1中特异性表达ASCL1。免疫荧光染色显示，在第10周SOX2阳性干细胞中ASCL1也有很大一部分(24%)呈阳性，而在第23周时几乎没有双阳性细胞。发现垂体干细胞的胚胎状态转变伴随着细胞增殖的负调控和TFs及信号通路的改变。

图2垂体干细胞的分子特性和异质性

3

垂体干细胞处于混合上皮细胞/间充质细胞状态

主成分分析(PCA)结果显示所有的内分泌细胞都在主成分1(PC1)轴上从干细胞向分化细胞梯度过渡。上皮细胞标志物CDH1和间充质细胞标志物VIM、CDH2在干细胞中呈高表达，在分化细胞中低表达。结果表明干细胞同时以上皮细胞和间充质细胞的状态存在。

图3垂体干细胞的上皮/间充质混合的状态

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促皮质激素细胞的两种亚型

拟时序分析鉴定了促皮质激素细胞的两个亚型：促皮质激素细胞1，主要由早期(7至9周)的细胞组成；促皮质激素细胞2，主要由中晚期(10至25周)的细胞组成。2个亚型均高表达TBX19和POMC。促皮质激素细胞1表达“有丝分裂细胞周期的调控基因”(HMGA2)，表明其可增殖。促皮质激素细胞2表达皮质酮基因(NR4A1和NR4A2)，表明细胞状态更加成熟。

图4两种皮质激素亚状态的特征

5

POU1F1(PIT-1)谱系起源于一个共同的祖先

PIT-1谱系由三种内分泌细胞组成：生长激素细胞、泌乳素细胞，促甲状腺激素细胞。通过研究已知的谱系富集基因的表达状态来证明三种细胞来源共同的祖细胞(Pro.PIT1_all)，结果显示NEUROD4在Pro.PIT1_all中被激活，NEUROD4在生长激素前体细胞(Pre.Som)中表达水平上调；ZBTB20在Pro.PIT1_all表达水平明显上升，ZBTB20在泌乳素前体细胞中高水平表达；ASCL1和SOX4在Pro.PIT1_all中显著表达，SOX11是S0X4家族基因的成员之一，与ASCL1在促甲状腺前体细胞中(Pre.Thy)高水平表达。结果表明了PIT-1谱系从一个共同的祖细胞分离出来的转录组动力学。

图5PIT-1谱系的分化轨迹和转录因子动力学

6

比较人类和啮齿类动物垂体的种类

对比小鼠和大鼠的成年垂体scRNA-seq数据集，综合三组数据表明垂体的大多数细胞类型在人类和啮齿动物中高度保守。但在啮齿动物中没有发现祖细胞或前体细胞类型，表明成年垂体分化低。此外，在人胎垂体中，增殖细胞主要为干细胞，而在成年鼠垂体中，增殖细胞主要为生长激素细胞、泌乳素细胞。有趣的是，雄性激素受体(AR)在人胎皮质激素中高表达，却在啮齿动物的性腺激素中高表达。研究结果在一定程度上揭示了小部分潜在的物种特异性基因。

图6比较人与啮齿动物的垂体

研究结论

本文应用scRNA-seq技术来阐明人类胎儿垂体的转录组异质性和动力学。为人类垂体发育的转录景观提供了关键的见解，定义了不同的细胞亚状态和亚型，并阐明了细胞命运决定期间的转录情况。该研究将有助于鉴定先天性垂体机能减退的疾病基因，为人类多能干细胞产生的垂体前叶组织的治疗应用和疾病建模提供参考。

参考文献

ShuZhang.YueliCui.etal.Single-celltranscriptomicsidentifiesdivergentdevelopmentallineagetrajectoriesduringhumanpituitarydevelopment.J.NatCommu.()11:.

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