近日,，北京大學研究團隊采用先進的單細胞RNA-Seq轉錄組測序技術繪制出了完整的人類植入前胚胎和胚胎干細胞的轉錄組圖譜,，這一重要的研究成果發(fā)表在9月的《自然結構與分子生物學》（Nature Structural&Molecular Biology）雜志上,。
由一個細胞轉錄出來的所有RNA稱之為轉錄組,，其中包括編碼蛋白的RNA和非編碼RNA,。對轉錄組進行準確分析將有助于全面深入理解細胞中基因表達調控的分子機制,。轉錄組分析通常需要幾萬到幾十萬個細胞,，然而受人類早期胚胎標本的特殊性及來源的限制,，人類對自身胚胎的認識及發(fā)育機制的了解極其有限，
由湯富酬研究員研發(fā)的單細胞RNA-Seq轉錄組測序技術為深入探討人類胚胎發(fā)育的奧秘提供了新的技術路線,。該研究團隊利用該測序技術對處于不同發(fā)育階段的早期胚胎的90個單細胞以及人類胚胎干細胞系(hESCs)的34個單細胞進行了詳盡的分析,，構建了世界上最完整的人類胚胎發(fā)育基因表達圖譜，檢測出了22,687個母源表達基因,，其中包括8,701條長鏈非編碼RNAs（long noncoding RNAs,，lncRNAs），相比于以往通過cDNA微陣列檢測出的9,735個母源基因數(shù)量大大增加,。
研究人員在國際上首次成功地分離了囊胚階段胚胎中的三種細胞（上胚層細胞,、原始內胚層細胞、以及滋養(yǎng)外胚層細胞）,，并進一步分析其基因表達情況,，發(fā)現(xiàn)了一批新的細胞分化相關的標志基因。
人類早期胚胎干細胞
研究人員還首次將單細胞RNA-Seq高通量測序技術與RNA從頭組裝生物信息學分析技術相結合,，從人類植入前胚胎中發(fā)現(xiàn)了兩千七百多種全新的lncRNA,，其中許多l(xiāng)ncRNA表達具有發(fā)育階段特異性，很可能參與了植入前胚胎發(fā)育過程中的細胞命運決定,。此外,，他們還首次檢測了建系過程中最早階段（第0代）的人類胚胎干細胞的轉錄組，解答了人類囊胚中的上胚層（epiblast）細胞和體外培養(yǎng)的人類胚胎干細胞之間的基因表達模式是否相同這一由來已久的問題,，證實囊胚中的上胚層細胞和建系過程中最早期的人類胚胎干細胞具有顯著不同的轉錄組,，其中有一千四百多個基因顯示差異性表達。
在此項研究中,，研究人員還將他們采用的單細胞轉錄組分析技術與國際上比較流行的已經有商業(yè)化試劑盒的Smart-Seq單細胞轉錄組分析技術進行了系統(tǒng)的比較,，發(fā)現(xiàn)本研究組采用的技術在靈敏度,、技術穩(wěn)定性、以及cDNA的全長覆蓋均勻度等方面均明顯優(yōu)于Smart-Seq技術,。
這項研究工作為研究者們提供了一個全面的人類早期胚胎和胚胎干細胞轉錄組表達網絡,，對于胚胎發(fā)育機制的深入研究、胚胎干細胞的認識,、人類輔助生殖技術的安全性評估與改善,，以及遺傳性疾病的預測將具有重要的意義及深遠的影響。
北京大學生物動態(tài)光學成像中心湯富酬研究員,、李瑞強研究員及北京大學第三醫(yī)院的喬杰教授是該論文的共同通訊作者,，閆麗盈博士和在讀研究生楊明玉是這篇論文的并列第一作者。該項研究得到了國家重大科學研究計劃和國家自然科學基金的支持,。（生物谷 Bioon.com）
生物谷推薦的英文摘要
Nature Structural & Molecular Biology doi:10.1038/nsmb.2660
Single-cell RNA-Seq profiling of human preimplantation embryos and embryonic stem cells
Liying Yan, Mingyu Yang, Hongshan Guo, Lu Yang, Jun Wu, Rong Li, Ping Liu, Ying Lian, Xiaoying Zheng, Jie Yan, Jin Huang, Ming Li, Xinglong Wu, Lu Wen, Kaiqin Lao, Ruiqiang Li, Jie Qiao & Fuchou Tang
Measuring gene expression in individual cells is crucial for understanding the gene regulatory network controlling human embryonic development. Here we apply single-cell RNA sequencing (RNA-Seq) analysis to 124 individual cells from human preimplantation embryos and human embryonic stem cells (hESCs) at different passages. The number of maternally expressed genes detected in our data set is 22,687, including 8,701 long noncoding RNAs (lncRNAs), which represents a significant increase from 9,735 maternal genes detected previously by cDNA microarray. We discovered 2,733 novel lncRNAs, many of which are expressed in specific developmental stages. To address the long-standing question whether gene expression signatures of human epiblast (EPI) and in vitro hESCs are the same, we found that EPI cells and primary hESC outgrowth have dramatically different transcriptomes, with 1,498 genes showing differential expression between them. This work provides a comprehensive framework of the transcriptome landscapes of human early embryos and hESCs.
