自2009年汤富酬老师在博士后期间发表了世界上第一篇单细胞mRNA测序的文章“mRNA-seq whole-transcriptome analysis of a single cell”之后，单细胞测序结合人类胚胎发育的研究的领域越走越广阔。2020年10月，北京重点实验室生殖内分泌与辅助生殖中心张舒、乔杰老师团队在nature communications上发表了题为“Single-cell transcriptomics identifies divergent developmental lineage trajectories during human pituitary development”的研究论文。该研究从单细胞转录组测序的角度，结合了目前最热门的scRNA分析技术，研究了人类垂体发育过程中的不同“谱系”轨迹。
垂体前叶在调节各种生理过程（包括机体生长、生殖、代谢和应激反应）中起核心作用。本研究对来自人胎儿垂体的4113个单个细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），并描述了5个激素生成细胞谱系中具有不同过渡中间状态的不同发育轨迹。促肾上腺皮质激素在完全分化之前表现出早期中间状态。PIT-1谱系的三种细胞类型（生长激素、乳激素和甲状腺激素）从共同的祖细胞中分离出来，共同表达不同亚系的特异性转录因子。促性腺激素经历了两个多步骤的发育轨迹。此外，鉴定了一种胎儿促性腺激素亚型，还对垂体干细胞的细胞异质性进行了表征，并确定了上皮/间充质混合状态和从早到晚的状态转变。本研究结果提供了对人类垂体发育的转录图谱的洞察力，定义了不同的细胞亚型，并阐明了细胞成长过程中转录因子的动态变化。
研究思路
实验结果
一、 人类垂体发育的scRNA-seq分析
本研究从受精后7到25周（21位女性和10位男性）的21位人类胎儿获得了垂体，并对总共5181个细胞进行了单细胞测序，过滤后保留了4113个高质量细胞。并鉴定了九个垂体前叶内分泌细胞簇，包括干细胞（Stem），循环细胞（CC），促肾上腺皮质激素，PIT-1系祖细胞（Pro.PIT1），促生长素，促泌乳素，促甲状腺激素，促性腺激素（Pre。Gonado）和促性腺激素，包含2,388个细胞。
二、 垂体干细胞的表征
接下来，研究鉴定了包括SOX2，PROP1，LHX3，HES1，ZFP36L1，ANXA1，NFIB，ZNF521和NR2F2的干细胞特异性基因，并选择了干细胞和间充质细胞之间潜在的配体-受体基因对，这些基因富集在“ ECM受体相互作用”以及Notch，Wnt，BMP和Eph等信号通路，提示间充质细胞可能参与调节干细胞的补充。
本研究发现，垂体干细胞可分为三个不同的亚群：Stem1，Stem2和Stem3。其中，Stem1细胞主要来自早期垂体（7至10周），而Stem3细胞主要来自晚期垂体（19至25周）。Stem1细胞富含“干细胞增殖”基因（如：HMGA2），而Stem3细胞富含“负调节细胞增殖”的基因。因此得出，从Stem1细胞向Stem3细胞分化进程中，细胞逐渐进入静止或低增殖的状态。
三、混合上皮/间质状态的垂体干细胞
参考人们之前的研究结果表明，小鼠垂体干细胞分化过程中，存在上皮-间充质转换（EMT）过程。因此，本研究进一步探讨了人类垂体干细胞分化过程中的EMT动态变化，结果表明：
（1）上皮标志物（如：CDH1）和间质标志物（如：VIM和CDH2）在干细胞中高表达，而在分化细胞中低表达，两组均高度表达EPCAM，这种模式表明，干细胞以同时表达上皮和间充质标志物的状态存在；
（2）通过对上皮细胞、间质细胞和干细胞进行评分，发现公认的干性标记（SOX2，SOX4，SOX9，NOTCH2和HES1），上皮标记（EPCAM，CDH1，KRT8，CLDN4和GRHL2）和间充质标记物（CDH2，VIM，COL1A1，COL1A2和SNAI1）的表达沿干细胞——分化细胞发育时间线不断下降。
四、 发育轨迹的构建
研究重构了五个内分泌细胞谱系的发育进程，并鉴定出它们的前体状态。在拟时序发育过程中，某些谱系共享和特定的TFs被下调或上调，其中一些TFs在中间阶段表现出高峰表达。
综合以上结果，研究人员绘制了一个人类胎儿垂体前叶发育图谱（如下图所示）：
结论
本研究应用scRNA-seq技术阐明人胎儿垂体中的转录组异质性和动力学，描述了5个垂体激素生成细胞谱系中具有不同过渡中间状态的不同发育轨迹。此外，本研究得到的数据也有助于鉴定先天性垂体功能减退症的疾病基因，为人类多能干细胞生成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