利用单细胞测序技术研究胚胎发育早期基因共表达网络的建立模式

Early embryonic development experiences a series of phenotypic changes, from oocyte, zygote to the morula, then to blastocyst and finally the embryo implanted in the womb. As we know, the effect of genes is not separated. Therefore, it should be group effect of multiple genes that induces the embryo develop from one stage to the next stage. The synergistic motion of multiple genes is termed as co-expression in one specific stage. In embryonic development, for the establishment of co-expressed genes or the formation of a network, there are more likely to be two basic models: the gradual formation and explosive formation. According to our previous studies, the formation of gene network in morula is prone to be in line with the latter. We found a sharp increase of network connection in morula with the subsequent decrease in next stage. Whether is this phenomenon universal? What are the functions of the formed networks? What factors regulate the network? This project intends to use single-cell sequencing data, comparing changes in gene networks in embryonic development, to answer these questions. It help to clarify the genetic mechanism of cell growth and differentiation, establishing the molecular markers. We hope this study could improve adult cells reprogramming technology.

早期胚胎发育经历了从卵细胞的成熟、受精到桑椹胚，再到囊胚，最后植入子宫进一步发育成胚胎的一系列表型变化。我们知道，基因的效应往往不是孤立的。因此，胚胎从一个阶段发育到另一个阶段必定是多个基因共同作用的结果。基因共同作用的表现形式就是在同一阶段基因表达出现协同（即共表达）。关于胚胎发育过程中基因间的共表达网络的建立，我们推测应该有两种基本模式：逐步形成和爆发式的形成。我们前期的研究工作表明桑椹胚时期的网络形成更符合后者。我们发现从4-细胞阶段到桑葚胚阶段网络连接不断增加，并且桑葚胚的网络连接急剧增加，而随后的阶段开始减少。这种胚胎发育中基因网络爆发式的形成方式是否具有普遍性？网络的形成有什么功能？又受到什么因素调节？本项目拟利用单细胞测序数据，比较胚胎发育中基因网络的变化，来探讨以上问题，阐明细胞发育分化的遗传学机理，建立胚胎发育细胞分化的分子标志，希望为成体细胞重编程技术提供新的基础。

早期胚胎发育是一个复杂的过程，涉及卵母细胞受精依次成为合子，桑椹胚，囊胚，最后在子宫着床等一系列形态的变化。有趣的是，胚胎细胞在桑椹胚之前具有全能性，而在桑椹胚之后，全能性就会丧失。这种现象的分子调控机制尚不清楚。本项目通过使用单细胞测序数据，分析了各个发育阶段的基因调控网络，从基因调控角度解释桑葚胚期作为胚胎发育的转折。我们发现从4细胞阶段到后期囊胚，桑椹胚的调控网络基因连接数量最高。而且动态网络变化分析显示桑椹胚期是基因网络连接的转折点。桑椹胚期后的细胞与之前的八细胞阶段的完全不同。不同发育阶段的核心调控基因和基因网络连接存在较大差异，表明各个发育阶段的基因调控对应不同的功能。桑椹胚期之前和之后的细胞中的基因调控关系显著不同，而这些发生改变的基因的表达是在桑椹胚期被上调，说明桑椹胚期细胞可能通过激活这些基因来完成到下一个阶段的发育。桑葚胚期的核心调控基因可能是促进从全能性细胞分化成特定功能的细胞的关键因素。本研究首次提出了早期胚胎发育中的基因调控网络的动态变化的模式，并发现促进早期发育的关键基因。这些变化和基因对于理解早期胚胎发育中细胞分化的分子机制具有作用。另外，我们应用计算学方法区分三种密切相关的早期造血干细胞/多潜能细胞，并鉴定了三类细胞的基因表达标签。早期造血是一个复杂的过程，涉及一系列生物过程和细胞分化与发育，原始干细胞或多能性细胞最终分化成各种血液成分。我们确定了17个相关的决策规则和6,698个基因特征来区分这三种细胞类型。研究结果揭示了早期造血和细胞分化的分子机制。