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2021-02-14|2021-02-14 单细胞转录组学鉴定人类垂体发育过程中的不同发育谱系轨迹

今天分享的是2020年10月发表在nature communications（IF=12.121）上发表的Single-cell transcriptomics identifies divergent developmental lineage trajectories during human pituitary development
单细胞转录组学鉴定人类垂体发育过程中的不同发育谱系轨迹。


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单细胞测序与胚胎发育研究的结合由来已久，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。今天分享的这篇文章，也这是这一方向，单细胞转录组学鉴定人类垂体发育过程中的不同发育谱系轨迹。从题目来看，作者从单细胞转录组测序的角度，研究了人类垂体发育过程中的不同“谱系”轨迹，结合了目前最热门的scRNA分析技术，其中涉及到的值得我们学习
结果 一、人类垂体发育的ScRNA-seq分析
作者从受精后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个细胞进行了改良的STRT-seq方法，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。
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人胎儿垂体中细胞类型的多样性 接着，作者分析了内分泌细胞分化的时机。结果表明，促肾上腺皮质激素细胞在我们分析的最早时间点7周开始出现。紧接着是生长激素和促性腺激素细胞，分别在第8周和第10周和第16周出现了促甲状腺素和泌乳素细胞。【测时间序列的好处【有钱的优势_(:з」∠)_
二、垂体干细胞的表征
接下来，作者鉴定了包括SOX2，PROP1，LHX3，HES1，ZFP36L1，ANXA1，NFIB，ZNF521和NR2F2的干细胞特异性基因，并鉴定了干细胞和间充质细胞之间潜在的配体-受体基因，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。
与此同时，作者发现，垂体干细胞可分为三个出现不同亚群（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），并且，Stem1细胞富含“干细胞增殖”基因（例如HMGA2），而Stem3细胞富含“负调节细胞增殖”的基因，也就是说，从Stem1细胞向Stem3细胞分化京城中，细胞逐渐进入静止或这说低增殖的状态。
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垂体干细胞的分子特征和异质性 三、混合上皮/间质状态的垂体干细胞
过去的研究中指出，小鼠垂体干细胞分化过程中，存在上皮-间充质转换（EMT）样过程，作者进一步探讨了人类垂体干细胞分化过程中的EMT动态变化。发现：
【2021-02-14|2021-02-14 单细胞转录组学鉴定人类垂体发育过程中的不同发育谱系轨迹】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.作者定义并计算了上皮评分（E.score），间质评分（M.score）和干性评分（S.score），发现公认的干性标记（的表达水平例举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）沿干细胞——分化细胞发育时间线表达下降减少。


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垂体干细胞的上皮/间质混合状态 四、重建发展轨迹
接下来，作者重构了五个内分泌细胞谱系的发育进程，并鉴定出他们的前体状态。作者发现，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，


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1.促肾上腺皮质激素细胞经历两种阶段——Corticotrope1，其主要包含来自早期（7至9周）的细胞； Corticotrope2，主要包含来自中期或后期（10至25周）的细胞。这两个阶段到标了促皮质激素细胞从早期中间状态到成熟状态的分化，其中基因的表达上调后续与建立皮质醇激素轴相关。
2.嗜酸谱系（PIT-1谱系）与普通祖细胞分离——PIT-1谱系由三个内分泌细胞类型组成：泌乳素细胞腺瘤（lactotroph adenomas、促生长激素细胞腺瘤（somatotroph adenomas）、促甲状腺细胞腺瘤（thyrotroph adenomas），作者鉴定了这三类细胞的分化前体细胞并发现其与干细胞相比，Pro.PIT1_all细胞中有13个TF明显上调。在这些TF中，NEUROD4和ZBTB20分别被认为是促生长素和促乳素的主要谱系富集TF。RXRG和DACH1被鉴定为两个富含促甲状腺素的基因，这两个基因在Pro.PIT1_all细胞中均显着上调，并在促甲状腺素中保持高表达水平，而在促生长素和促营养素中则下调。


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3.促性腺激素细胞的分化表现出两条发展轨迹包括以前未曾认识到的高LHB高CGB低FSHB亚群和高LHB低CGB高FSHB亚群。
最后，作者综合以上结果，描绘了一个人类胎儿垂体前叶发育图谱：


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人类胎儿垂体前叶发育图谱

评论：本文作者提供了一个非常“标准的”单细胞分析思路，细胞聚类、分群->针对每一类细胞深入分析其功能、转录调控、分化趋势等‘表型’。它的逻辑非常清晰，垂体样本除间质细胞外聚类出9型从干细胞向分泌型细胞，存在一个显而易见的分化趋势，那个这个分化的过程是怎样出现的，有有何含义的探讨，正式从这篇文章值得我们学习的。

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