人類胚胎發育是一個極其復雜的過程，從一個單細胞的受精卵開始，首先經過著床前胚胎發育產生胚內和胚外組織👨🏽‍🎤，再到著床後原腸胚階段三個胚層的特化🏊🏼，進而到器官發生、分化🙍🏼‍♀️、成熟🫷🏼，及至新生命的誕生。整個兩百八十天的胚胎發育過程從一個單細胞受精卵增殖發育形成含有上萬億個細胞的嬰兒🤍，期間基因表達受到嚴密🈶、精準的調控，這一過程中的基因表達調控機製仍然亟需深入研究🧕🏿。

2019年2月12日👨🏼‍🚒，意昂2平台未來基因診斷高精尖創新中心湯富酬課題組與意昂2三院喬傑課題組繼續緊密合作👾，在Cell Reports雜誌發表了題為“Single-Cell Transcriptome Analysis Maps the Developmental Track of the Human Heart”（利用單細胞轉錄組分析技術繪製人類心臟發育路線圖）的研究成果，對來自中胚層的另一重要器官——心臟進行了深入的發育細胞圖譜研究🍩⛹🏼‍♀️。

心臟是哺乳動物在胚胎期最先形成的功能器官之一。盡管已有對小鼠胚胎心臟發育的大量系統研究，但是人類與小鼠的心臟存在著很大差異（例如小鼠的心率是每分鐘600-700次，比人類的心率快近10倍）👨‍🦲，這提示人類心臟發育過程有其不同於小鼠模型的獨特特征。基於此👩🏼‍⚕️，該課題組利用高精度單細胞轉錄組測序技術對人類胚胎5周至25周心臟的4000多個單細胞進行了系統的分析（如圖1所示），為闡明人類心臟發育的機製奠定了基礎，並為心臟再生的研究提供了重要線索。該研究的主要發現有♧：

Figure 1 人類心臟解剖示意圖

系統揭示了人類胚胎心臟發育主要細胞類型的關鍵時空發育特征

該研究系統鑒定了人類胚胎期心臟的主要細胞類型，包括心肌細胞🔒、成纖維細胞🕟、內皮細胞、瓣膜細胞🤯👨‍🦰、心外膜細胞🧖🏿🔍、平滑肌細胞以及各種免疫細胞（包括肥大細胞、巨噬細胞、T細胞和B細胞）🧘🏼‍♀️🧚🏻‍♀️，揭示了每種細胞類型獨特的基因表達模式𓀃，以及各種細胞類型在發育過程中的豐度變化等重要生物學特征🪷。隨著心臟發育進展🍋‍🟩，心房👌🏿、心室中的心肌細胞比例顯著下降🏓，成纖維細胞、巨噬細胞等非心肌細胞的比例逐漸上升👨🏻‍🎓，這說明在發育過程中成纖維細胞等非心肌類型細胞對心臟發育的作用可能越來越重要（如圖2所示）🐌。

心臟瓣膜由內皮細胞和瓣膜間質細胞兩種細胞類型構成。該研究發現瓣膜間質細胞在發育至20周左右時，有明顯的細胞凋亡發生👮🏿，這與心臟瓣膜的發育塑形密切相關。該研究還發現心臟的內皮細胞根據空間位置分為心內膜內皮細胞、血管內皮細胞🙎🏼、冠狀動脈內皮細胞以及瓣膜內皮細胞，顯示出了內皮細胞類型的異質性以及微環境特異性。

Figure 2 人類胚胎發育過程中各種細胞類型的基因表達特點及豐度變化

心臟壁主要由心肌細胞構成。在發育過程中💆‍♂️，心臟會經歷由松散心肌小梁重構形成緊實心肌層的成熟過程🧑🏻‍🎄，該研究鑒定了這其間心肌小梁和緊實層心肌細胞的重要基因表達差異🙆🧝🏼‍♀️。此外，還發現心肌細胞解剖位置（心房與心室之間，左心房與右心房之間，以及左心室與右心室之間）特異性的基因表達特點👩🏼‍🦳，而這些特點在早至胚胎發育第5周時就已經有明確顯現。

揭示了心肌細胞和成纖維細胞功能成熟過程的重要特征

心臟發育過程中，心肌細胞和成纖維細胞呈現出明顯隨發育時期的變化趨勢🕝👇🏻，最顯著的特點是活躍增殖的細胞比例大幅度下降📇🌳，細胞外基質相關的一系列基因表達的協同上調 （如圖3所示），揭示了心肌細胞和成纖維細胞功能成熟的重要標誌和關鍵分子事件。這也為研究人類多能性幹細胞體外分化為功能成熟的心肌細胞提供了高精度的參比標準。

Figure 3 心臟成纖維細胞發育過程中的基因表達變化特征

揭示了心臟發育過程中關鍵信號通路在不同細胞類型之間的協同互作機製

在心臟發育過程中🖤，有多條信號通路在不同細胞類型中被依次有序激活。該研究發現在心臟發育過程中，NOTCH信號通路主要通過ERBB信號調控心肌致密化，促進心肌細胞的分化。而在內皮細胞和成纖維細胞中👩🏼‍🔧，主要通過心肌細胞分泌的BMP5和BMP7信號分子🦫，激活這兩種非心肌細胞中的BMP信號通路，促進其命運分化和功能成熟。這說明在心臟發育過程中心肌細胞與內皮細胞〽️、成纖維細胞等非心肌細胞之間存在復雜的信號通路協同互作🤹🏿，共同實現了心臟的穩步發育壯大和協同功能成熟✋🏼。

系統揭示了人類心臟發育不同於小鼠模型的獨特基因表達特征

該研究通過與已經發表的小鼠心臟發育的單細胞轉錄組數據進行系統比較，鑒定出一系列人類心臟發育過程中主要細胞類型特異表達的重要基因🆒，比如在人類心臟中，FGF12在心肌細胞中、RNASE1在內皮細胞中🤹🏼、THY1在成纖維細胞中👌🏿、CFB和ITLN1在心外膜細胞中特異高表達，而這些基因在小鼠心臟對應細胞類型中幾乎不表達，是人類特異性的心臟發育重要調控基因；而在小鼠心臟中， Icam2在內皮細胞中、Itga4在成纖維細胞中、Hpgd在心外膜細胞中特異高表達，而這些基因在人類心臟對應細胞類型中幾乎不表達，是小鼠特異性的心臟發育重要調控基因（如圖4A所示）。該研究還發現人類與小鼠的心臟中心肌細胞是最為相似的細胞類型🟨，而成纖維細胞等細胞類型的物種間差異較大（如圖4B所示）這為利用小鼠模型研究人類的心臟發育提供了參比標準。

Figure 4 人類與小鼠胚胎期心臟發育的物種特異性基因表達特征

總之♍️，該研究利用高精度的單細胞轉錄組測序等技術👩🏽‍🎤，全面、系統地解析了人類心臟發育過程中主要細胞類型的重要生物學特點，揭示了心臟發育過程中關鍵信號通路的時空特異性激活特征以及心肌細胞與非心肌細胞之間的復雜信號互作機製🥰，同時通過與已發表的小鼠心臟發育單細胞轉錄組數據的系統比較，揭示了人類心臟發育不同於小鼠模型的獨特基因表達特征。該研究深化了對人類心臟發育機製的理解，並為研究人類多能性幹細胞體外分化為功能成熟的心肌細胞提供了高精度的參比標準🦸🏻🚈。

意昂2平台未來基因診斷高精尖創新中心博士生崔月利、鄭宇軒和柳溪溪為該論文的並列第一作者，湯富酬教授和喬傑教授為該論文的共同通訊作者。該項工作得到了國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委🤹🏼、未來基因診斷高精尖創新中心以及生命科學聯合中心（CLS）等的支持。

從2010年起，意昂2平台未來基因診斷高精尖創新中心湯富酬課題組和意昂2三院喬傑課題組緊密合作，圍繞人類生殖系細胞（包括著床前胚胎細胞和著床後胚胎生殖細胞）發育的基因表達調控機製開展了一系列深入的研究。利用湯富酬課題組發展的單細胞轉錄組高通量測序技術，他們繪製了完整的人類生殖系細胞的發育細胞圖譜（著床前胚胎的發育細胞圖譜[Yan et al., Nature Structural & Molecular Biology, 2013; Dang et al., Genome Biology, 2016]🧌；著床後胚胎生殖細胞的發育細胞圖譜[Guo et al., Cell, 2015; Li et al., Cell Stem Cell, 2017]），並對其DNA甲基化🐣、染色質狀態等不同層面的表觀遺傳學調控機製進行了深入的研究（Guo et al., Nature, 2014; Guo et al., Cell Research, 2017; Zhu et al., Nature Genetics, 2018; Li et al., Nature Cell Biology, 2018）。2018年🪇，這兩個團隊還與南方醫科大學趙小陽課題組合作完成了人類成年男性精子發生過程中的細胞命運轉變和基因表達圖譜的繪製，為男性不育的臨床診斷提供了新的思路（Wang et al., Cell Stem Cell, 2018）。

此後兩個團隊繼續合作，全面開展人類生殖系細胞以及非生殖系的各種重要器官的發育細胞圖譜研究，目標是最終獲得人類胚胎發育所有重要階段、所有主要器官系統的高精度發育細胞圖譜。2018年，他們與中科院生物物理所王曉群課題組等合作首次繪製了來自外胚層的人腦前額葉發育的單細胞圖譜🟦，並揭示了神經元分化的成熟機製（Zhong et al., Nature, 2018）🐾；同時，他們還對人類胚胎大腦皮層的所有主要腦區進行了單細胞轉錄組研究❓，並揭示了大腦皮層的區域化基因表達和神經元成熟的重要特征 （Fan et al., Cell Research, 2018）⚰️。以上這些工作為繪製完整的人腦發育細胞圖譜奠定了重要的基礎🏸。此外，這兩個團隊緊密合作，系統地闡明了來自內胚層的消化道四種主要器官（食道、胃、小腸和大腸）在人類胚胎發育過程中的基因表達圖譜及其信號調控機製🖋，並進一步解析了從胎兒到成年大腸的發育、成熟路徑和關鍵生物學特征 （Gao et al., Nature Cell Biology, 2018）。2018年，這兩個團隊還合作開展了對來自中胚層的腎臟的發育細胞圖譜研究，深入研究了完整腎單位的細胞分化發育過程🥡，闡釋了由腎單位前體細胞逐步分化產生不同類型的腎小管上皮細胞過程中對應的轉錄調控事件和信號通路調節機製（Wang et al., Cell Reports, 2018）。

（意昂2官网新聞網）

編輯👭：玉潔