Nature子刊重要成果:人類垂體發育單細胞轉錄組圖譜

【字體: 時間:2020年10月21日 來源:

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  研究利用單細胞轉錄組測序技術,揭示了7周至25周人類胚胎垂體中五種主要激素細胞的發育軌跡,定義了中間過渡細胞類型并發現了一個新的靈長類特異的促性腺激素細胞亞類,并闡明了垂體干細胞的狀態變遷。

  

垂體是最重要最復雜的內分泌腺體之一,是內分泌信號轉導的司令部,作為神經-內分泌系統中的主要成員,在維持機體內環境穩態中發揮關鍵作用。它位于大腦底部的蝶鞍中,重量不到1克,分為腺垂體和神經垂體兩部分。腺垂體主要由五種激素細胞組成,包括生長激素細胞、催乳素細胞、促甲狀腺素細胞、促腎上腺皮質激素細胞和促性腺激素細胞。這些細胞與下游靶內分泌腺之間構成復雜的信號系統,在生長發育、代謝調節、生殖以及應激等生理過程中發揮重要作用。垂體發育是一個精妙的過程。在人類胚胎第3周左右,腹側間腦與原始口腔頂部外胚層接觸,誘導其內陷形成一個微型囊狀結構(Rathke囊),囊壁細胞通過分裂、遷移和分化,最終形成各種激素細胞類型。

過去近三十年的小鼠遺傳學研究已鑒定出許多信號途徑(如BMP、FGF、WNT和SHH)和轉錄因子(如LHX3/4、PITX1/2、PAX6、HESX1、SOX2、PROP1、POU1F1(PIT-1)、GATA2、TBX19(TPIT)和NR5A1(SF-1))參與了垂體發育 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA 1-4。然而,我們對垂體發育過程所經歷的各種細胞狀態及其動態變化知之甚少;我們甚至缺乏對這些激素細胞類型或亞型基因表達譜的準確認知——因為常規轉錄組方法需要上萬個細胞,檢測到實際上是各種激素細胞類型的“平均細胞”。

北京大學生命科學學院、生物醫學前沿創新中心(BIOPIC)與北京大學第三醫院合作,于2020年10月19日在國際知名學術期刊《Nature Communications》上在線發表了題為“Single-cell transcriptomics identifies divergent developmental lineage trajectories during human pituitary development”的文章。該研究利用單細胞轉錄組測序技術,揭示了7周至25周人類胚胎垂體中五種主要激素細胞的發育軌跡,定義了中間過渡細胞類型并發現了一個新的靈長類特異的促性腺激素細胞亞類,并闡明了垂體干細胞的狀態變遷。

首先,研究人員對分子特征尚未研究清楚的人類垂體干細胞進行亞群特征鑒定,發現干細胞亞群隨發育時間變化,早期干細胞增殖能力較強,且高表達垂體所有激素細胞分化必需的轉錄因子ASCL1,該基因對于早期干細胞分化可能發揮了重要作用。晚期干細胞增殖能力被抑制,且高表達WNT信號調節因子SFRP2和WNT5A。此外,相較于已分化的激素細胞,垂體干細胞同時高表達上皮的標志基因CDH1與間充質的標志基因VIM和CDH2,即處于混合上皮/間充質(hybrid E/M)狀態,且與干性狀態正相關,之前的研究表明該混合狀態在小鼠器官發生和腫瘤轉移中也發揮了重要作用5。

隨后,利用擬時間分析RNA velocity和Slingshot生物信息學方法,研究人員繪制了五種激素細胞的譜系發育路徑和分化方向,鑒定出譜系共享或譜系特異的下調或上調的轉錄因子,其中一些轉錄因子在中間態就已經上調,對細胞命運決定起到關鍵的調控。

然后,研究人員對五種激素細胞譜系分別進行詳細分析。發現促腎上腺皮質激素細胞從早期的具有少量的增殖細胞的中間狀態,逐漸發育成熟并建立皮質醇反饋通路。PIT-1譜系包括三種激素細胞類型:生長激素細胞、催乳素細胞和促甲狀腺激素細胞,擬時間分析鑒定出他們的共同祖細胞Pro.PIT1_all,GATA2陽性的促甲狀腺激素細胞前體Pre.Thy和潛在的促生長激素細胞前體Pre.Som。PIT-1各個譜系特異的關鍵轉錄因子NEUROD4、ZBTB20、ASCL1在Pro.PIT1_all均相較干細胞表達上調,祖細胞進一步分化為NEUROD4high/ZBTB20mid/ASCL1low 促生長激素前體和成熟細胞, NEUROD4mid/ZBTB20high/ASCL1low 催乳素細胞以及NEUROD4low/ZBTB20mid /ASCL1high 促甲狀腺激素前體和成熟細胞,表明祖細胞在細胞命運決定之前有共同激活的程序,結合小鼠雙敲模型推測ZBTB20在催乳素細胞分化中與另外兩個轉錄因子存在競爭關系6。促性腺激素細胞呈現出起始時間不同的兩個發育軌跡,其中表達靈長類特有的絨毛膜促性腺激素(CGB)的譜系起始于早期,對人類早期下丘腦 -垂體 -性腺軸 (HPG軸)的發育可能具有關鍵調控作用,而小鼠模型中并沒有表達CGB的細胞亞型;高表達促卵泡激素(FSH)的亞型則起始于晚期。

綜上所述,這項研究繪制了首張人類垂體發育和胎兒垂體激素細胞單細胞轉錄組圖譜,有助于尋找新的先天性垂體疾病致病基因,也為探索垂體功能低下的干細胞治療提供了參照。

北京大學生物醫學前沿創新中心博士后張書、博士研究生崔月利和北京大學第三醫院生殖醫學中心博士研究生馬昕怡為本文并列第一作者。生物醫學前沿創新中心副研究員文路和北京大學第三醫院喬杰教授為本文共同通訊作者。該研究項目得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和北京未來基因診斷高精尖創新中心(ICG)的支持。

參考文獻

1          Zhu, X., Gleiberman, A. S. & Rosenfeld, M. G. Molecular physiology of pituitary development: signaling and transcriptional networks. Physiol Rev 87, 933-963, doi:10.1152/physrev.00006.2006 (2007).

2          Li, S. et al. Dwarf locus mutants lacking three pituitary cell types result from mutations in the POU-domain gene pit-1. Nature 347, 528-533, doi:10.1038/347528a0 (1990).

3          Lamolet, B. et al. A Pituitary Cell-Restricted T Box Factor, Tpit, Activates POMC Transcription in Cooperation with Pitx Homeoproteins. Cell 104, 849 (2001).

4          Zhao, L. P. et al. Steroidogenic factor 1 (SF1) is essential for pituitary gonadotrope function. Development 128, 147-154 (2001).

5          Vieira, A. F. & Paredes, J. P-cadherin and the journey to cancer metastasis. Mol Cancer 14, 178, doi:10.1186/s12943-015-0448-4 (2015).

6          Ando, M. et al. The proneural bHLH genes Mash1, Math3 and NeuroD are required for pituitary development. J Mol Endocrinol 61, 127-138, doi:10.1530/JME-18-0090 (2018).

閱讀原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19012-4

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