基于大规模人类单细胞转录组测序数据的基因可变剪切变化规律研究

Each cell has their own gene expression pattern owing to the intracellular and intercellular influences. Thus expression heterogeneity exists among different cells, which could influence the phenotype of cells. The traditional transcriptome sequencing technologies are not suitable for precisely studying the expression heterogeneity because they are based on multiple cells. But single-cell RNA-seq technologies provide unprecedented opportunity for investigating the heterogeneity. Alternative splicing play important roles in gene expression and gene function execution. Moreover, abnormal alternative splicing may result in certain diseases and even cancer. This project is based on our previous work and results about the analyses and interpretation of both bulk and single-cell RNA-seq data. We will systematically study the alternative splicing differences between different stages of human early embryo development. Furthermore, we will also dissect the changes of alternative splicing patterns between different cell types for both diverse normal and cancer tissues at the single-cell level. This project can not only further improve the study of alternative splicing from bulk level to single-cell level, but also can facilitate the interpretation of the heterogeneity and origin of tumor.

每一个细胞因受到内部和外部因素的影响都会呈现出各自特异的基因表达模式，因此不同细胞之间存在表达异质性，这种异质性可能对细胞的表型产生影响。传统的转录组测序因基于多细胞进行而不适合用于表达异质性的研究，需要借助单细胞测序技术。而可变剪切对基因的表达及功能的发挥至关重要，且可变剪切模式的异常可能会导致疾病甚至是癌症的产生。因此，本项目将基于我们前期关于传统转录组测序和单细胞转录组测序的数据分析工作，利用大规模单细胞转录组测序数据，系统地研究人类早期胚胎发育过程中不同发育阶段的基因在可变剪切模式上的变化规律。同时本项目也将利用单细胞转录组测序数据详细地解析多种不同正常组织的不同细胞亚型、不同癌症组织的不同细胞亚型间的可变剪切模式差异，从而在单细胞水平系统地揭示基因可变剪切模式的变化规律。本项目不仅能进一步把可变剪切的相关研究从群体细胞水平推进到单细胞水平，而且可促进阐释肿瘤的异质性和起源等。

基因可变剪接在基因表达及功能发挥中起至关重要的作用，其异常变化可能与各类疾病的发生发展密切相关。单细胞转录组测序极大促进了单细胞水平解析基因表达异质性及不同细胞亚型间的基因可变剪接变化规律。本项目利用大规模单细胞转录组测序数据系统解析了多种不同条件下各细胞亚型间的基因可变剪接和表达变化规律，并结合基因调控网络和细胞间相互作用来阐释潜在相关功能。目前主要成果包括：（1）发现人类早期胚胎发育过程中基因可变剪接不仅在不同发育时期展现出高特异性，而且性别之间也具有较大差异，这些差异与胚胎发育中基因表达和基因调控网络的变化可能密切相关；（2）发现人类胰岛细胞不同细胞亚型间的基因表达和可变剪接都呈现出明显的细胞亚型特异性，这可能是造成亚型间基因调控网络差异的重要原因之一；（3）人类脑胶质瘤在单细胞层面呈现出很强的表达异质性，并且一些介导细胞间相互作用的关键受体和配体的表达水平与脑胶质瘤病人的生存显著相关；（4）发现滑膜肉瘤的差异可变剪接基因、差异表达基因、融合基因等之间存在广泛的相互作用，它们可能有与滑膜肉瘤的发生发展紧密关联；（5）浆液性卵巢癌不同细胞亚型间呈现出较强的亚型特异性可变剪接，其在基因调控网络及细胞间相互作用网络中可能发挥重要作用；（6）肺癌不同免疫细胞亚型间的基因表达和可变剪接模式也大不相同，这与不同免疫细胞亚型的功能差异及细胞间相互作用紧密相关等。综上所述，本项目在单细胞水平系统地解析了不同条件下的基因可变剪接和表达规律，发现它们在基因调控网络和细胞间相互通讯网络中发挥重要作用，进一步阐明了细胞间表达异质性形成的潜在机制等。在本项目的资助下，我们已在国际SCI期刊发表论文14篇，其中包括发表于本领域影响因子大于10的顶尖期刊Nucleic Acids Research和Briefings in Bioinformatics等。而且，该项目累计培养了2名博士和3名硕士，项目组成员积极参加相关学术会议。因此，该项目预定的研究计划已顺利完成。