消化系統(tǒng)是人體中最重要的器官系統(tǒng)之一，而消化道作為消化系統(tǒng)最重要的組成部分，在食物消化、營(yíng)養(yǎng)吸收、廢物排泄、抵抗微生物入侵等多個(gè)方面起著極其重要的作用。消化道主要由食道、胃、小腸、大腸組成。揭示這4種器官在人類胚胎發(fā)育過程中的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及細(xì)胞類型圖譜是發(fā)育生物學(xué)的重大課題。據(jù)介紹，本研究首先分離并獲取了人類6到25周胚胎中食道、胃、小腸和大腸以及成年人的大腸總計(jì)5277個(gè)單細(xì)胞，并對(duì)其進(jìn)行高精度的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，獲得了多達(dá)5T的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)這4種器官的發(fā)育進(jìn)程在基因表達(dá)調(diào)控層面進(jìn)行了深入解析。

 

首先，研究團(tuán)隊(duì)通過關(guān)鍵基因表達(dá)特征定義了這4種器官共40種不同的重要細(xì)胞類型，其中在人類胚胎發(fā)育階段鑒定出30種不同的細(xì)胞類型。通過對(duì)這30種細(xì)胞類型的關(guān)鍵生物學(xué)特征分析后發(fā)現(xiàn)，其中具有干、祖細(xì)胞特征的細(xì)胞類型有19種，在胚胎發(fā)育的較早期就已經(jīng)出現(xiàn)并且貫穿于整個(gè)胚胎發(fā)育時(shí)期，其細(xì)胞周期也呈現(xiàn)出活躍分裂增殖的特點(diǎn)。另一方面，分析顯示，胚胎早期消化道4種不同器官的細(xì)胞具有高度相似的基因表達(dá)特點(diǎn)，而胚胎晚期這4種不同器官的細(xì)胞基因表達(dá)差異非常明顯，顯示這些細(xì)胞類型功能成熟后基因表達(dá)的高度器官特異性和細(xì)胞類型特異性。同時(shí)，小腸同其他3種消化道器官相比，營(yíng)養(yǎng)吸收代謝的關(guān)鍵基因在胚胎晚期被大規(guī)模同步激活，說明處于胚胎晚期的小腸可能已經(jīng)具備了基本的營(yíng)養(yǎng)吸收功能。這也說明隨著胚胎發(fā)育的進(jìn)行，4種器官在功能上的差異性也逐漸展現(xiàn)出來。

 

這項(xiàng)研究成果由北京大學(xué)北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心、北京大學(xué)—清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心湯富酬課題組、北京國(guó)際數(shù)學(xué)研究中心葛顥課題組，攜手北京大學(xué)第三醫(yī)院?jiǎn)探苷n題組聯(lián)合獲得。研究發(fā)現(xiàn)為消化道生物學(xué)研究領(lǐng)域提供了全面翔實(shí)的發(fā)育細(xì)胞圖譜數(shù)據(jù)，具有重大參考價(jià)值。此外，對(duì)于這4種消化道器官相關(guān)的癌癥，特別是胃癌和結(jié)直腸癌的致病機(jī)理研究，此項(xiàng)研究結(jié)果也在基因表達(dá)層面上提供了重要參考。