人类垂体发育单细胞分辨率转录组与表观基因组图谱研究

Single-cell sequencing technologies provide powerful new tools for dissecting the cell heterogeneity during organ development such as the human pituitary development. In our previous work, we have successfully performed single-cell RNA-seq for nearly 4000 cells from pituitary tissues of aborted fetus. We have also established single-cell multiple omics sequencing methods including the scCOOL-seq that is able to detect the chromatin accessibility and DNA methylome in an individual cell, and the scTrio-seq that is able to detect the transcriptome and epigenome in an individual cell. Based on these, we apply for charting the single-cell-resolution transcriptome, chromatin accessibility and DNA methylome maps of human pituitary development. We aim to give a comprehensive, accurate and unbiased view of cell types and cell states of human pituitary development and reveal the characters, dynamics and relationships of transcripome and epigenome of these cell types and cell states. These will provide basis for deeply understanding the gene regulatory network of cell fate decision-making during human pituitary development.

单细胞组学测序技术为深入解析包括人类垂体发育在内的器官发育过程中的细胞异质性问题提供了强大的新工具。在前期工作中，我们已经成功对近4000个人类流产胎儿垂体组织单细胞进行了单细胞转录组测序分析，并已建立能够检测同一细胞中染色质可接近性与DNA甲基化组（scCOOL-seq）与能够检测同一细胞中转录组与表观基因组（scTrio-seq）的单细胞表观基因组平行多组学测序技术。据此，我们拟绘制人类垂体发育过程的单细胞分辨率转录组、染色质可接近性与DNA甲基化组图谱。研究旨在全面、精准和无偏见地揭示人类垂体发育过程所经历的细胞状态与所形成的细胞类型，阐明这些细胞类型与细胞状态的转录组、染色质可接近性与DNA甲基化组的特征、动态变化与互相关联，为全面深入理解人类垂体发育过程细胞命运决定的调控网络提供基础。

垂体是最重要最复杂的内分泌腺体之一，在生长发育、代谢调节、生殖以及应激等生理过程中发挥重要作用。垂体激素细胞异常增殖所形成的垂体内分泌肿瘤是第二大常见的颅内肿瘤，大约占颅内肿瘤的10%~16%。本项目系统绘制了人类垂体发育与垂体内分泌肿瘤的单细胞多组学图谱。首先，我们采用单细胞转录组测序技术揭示了5种垂体激素细胞的正常发育轨迹（Nature Communications, 2020）。促肾上腺皮质激素细胞从早期的具有少量的增殖细胞的中间状态，逐渐发育成熟并建立皮质醇反馈通路。PIT-1谱系 (生长激素细胞、催乳素细胞和促甲状腺素细胞)分化自共表达谱系特异因子NEUROD4、ZBTB20和ASCL1的祖细胞。促性腺激素细胞呈现出起始时间不同的两个发育轨迹。我们还鉴定了新的灵长类特有的促性腺激素细胞亚型和人类垂体干细胞细胞早晚期状态转变和异质性。其次，我们对4例人类胎儿的垂体组织进行了单细胞表观基因组平行多组学测序分析，获取了102个单细胞的转录组、染色质可接近性与DNA甲基化组多组学图谱，鉴定了人类垂体干细胞和生长激素细胞等共363870个染色质开放区域，揭示了这些区域所富集的转录因子结合基序，如在人类垂体干细胞远端染色质开放区域富集的BCL1、ASCL1、SOX2、SOX3和PROP1等。最后，我们对人类垂体瘤进行了单细胞转录组和多组学测序分析；通过与正常垂体激素细胞比较，首次全面的以单细胞分辨率精确地鉴定了垂体瘤的肿瘤差异表达基因谱和一系列新垂体瘤相关基因（如AMIGO2, ZFP36, BTG1和DLG5）；发现生长激素瘤的差异表达基因以上调为主，而促性腺激素瘤的以下调为主；单细胞多组学分析证实垂体瘤为单克隆起源但也存在少量瘤内异质性（Neuro-Oncology，2021）。综上所述，本项目为全面深入理解人类垂体正常发育与异常增殖的基因调控网络提供了参考图谱与新见解，并为寻找先天性垂体疾病致病基因及垂体功能低下和垂体肿瘤治疗提供新靶点。