2020年11月13日,來自華盛頓大學Jay Shendure實驗室的曹俊越博士(第一作者)在Science上發表了文章A human cell atlas of fetal gene expression,通過研發和優化高通量單細胞測序技術sci-RNA-seq3分析了來自121個人類胎兒器官樣本的超過400萬個單細胞的基因表達水平。通過一些列的分析,構建了細胞和基因從胚胎到胎兒發育的動態軌跡。


科學家描繪人類胎兒發育的動態軌跡與染色質可及性圖譜


通過一種可以量化細胞類型特異性的計算框架,他們確認了組成人體15個主要器官的77個主要細胞種類以及幾百種細胞亞型。他們發現并驗證了一些新的細胞種類,并綜合分析了主要細胞類型(包括血液,內皮細胞和上皮細胞)的器官特異性。同時這項研究發現腎上腺在胎兒發育中是正常的(盡管是次要的)紅細胞生成部位。最后他們將人類胎兒單細胞圖譜和小鼠胚胎細胞圖譜整合在一起并構建了細胞和基因從胚胎到胎兒發育的動態軌跡。這項研究對于研究各種人體細胞的種類和分化途徑,器官的形成,以及理解兒童的各種發育異常和疾病提供了分子和細胞學基礎。


這片文章的姐妹篇A human cell atlas of fetal chromatin accessibility,同樣是來自Shendure實驗室的Silvia Domcke, Andrew Hill和Riza Daza研究組研發了一項新的高通量單細胞測序技術sci-ATAC-seq3并用其檢測了超過80萬個人體胎兒單細胞的染色質可及性(chromatin accessibility)。


科學家描繪人類胎兒發育的動態軌跡與染色質可及性圖譜


這項研究發現了超過一百萬個染色質可及位點(chromatin accessible sites),其中很多位點只在一些特定細胞中存在。同時這些數據被用于研究基因變異對于染色質狀態的影響,以及人類常見疾病關系和細胞種類的關系。重要的是,由于上述兩篇文章分析的結果來自同樣的人類胎兒樣本,他們結合了轉錄組和染色質可及性的數據,并詳細分析了不同人體細胞種類的特異染色質狀態和轉錄因子激活水平,從而系統性的研究了人體細胞產生和形成過程中的決定性因子。


上述兩篇文章建立了目前已經發表的世界上最大規模的單細胞數據庫,并同時囊括了基因表達和染色質可及性的數據。同時,這項研究進一步建立了技術和分析框架從而使單個實驗室有能力生成和分析數百萬個單細胞的轉錄組和表觀基因組數據。所有的數據以及詳細的實驗步驟都公開發表在網站:https://atlas.brotmanbaty.org/。


個人簡介:


曹俊越博士本科畢業于北京大學生命科學學院,并于2019年獲得華盛頓大學分子和細胞生物學博士學位,主要從事高通量單細胞測序技術的研發以及在系統發育學的應用(Cao et al, Science, 2017; Cao et al, Science, 2018; Cao et al, Nature, 2019, Cao et al, Nature Biotechnology, 2020, Cao et al, Science, 2020)。他曾獲得Verna Chapman Young Scientist Award,WAGS/UMI Outstanding Innovation in Technology award,年輕科學家大獎以及國家優秀自費留學生獎學金。


曹博士于2020年秋季在The Rockefeller University建立了單細胞測序和動態研究實驗室 (http://caojunyuelab.org/),歡迎對高通量基因組技術研發,計算生物學和系統生物學有興趣的同學申請博士后職位(請發送CV,感興趣的方向以及三個推薦人的聯系方式發送至jcao@rockefeller.edu)。


研究背景


人體的發育是一個了不起的過程,始于受精卵的分裂,然后經歷胚胎的產生和胎兒的發育。目前關于人體發育的分子和細胞學研究主要來自遺傳學,模式生物的研究以及細胞系的體外實驗,而不是直接研究發育中的人體組織。


得益于新技術與新計算方法之間的協同作用和單細胞生物學領域的飛速發展,我們對人體生殖和早期胚胎階段的細胞種類和動態變化有了深入了解。相比早期發育階段,胎兒發育伴隨著各種器官的生長和成熟,以及幾百上千種細胞的擴增和分化。


對于這一階段的研究尤其是單細胞水平的分析更具有挑戰性,這主要是由于胎兒的細胞數量和種類在數量級上的快速增加,而傳統的低通量單細胞測序技術已經不足以解釋生物系統的復雜性。


文章來源: BioArt

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