利用单细胞测序技术解析人多能干细胞早期分化机制

Human pluripotent stem cells (hPSCs) have the capacity of self-renewal and multilineage differentiation. These features of hPSCs have provided remarkable promise in regenerative medicine. Based on the principle of developmental biology and experiments of optimization, researchers established the hPSC differentiation protocols to generate various cell-types of three germ layers. However, most existing protocols suffer from low efficiency, unclear differentiation paths, and difficult quality control for the limited understandings of hPSC differentiation system. To solve this problem, we will combine various single-cell analysis techniques to achieve a comprehensive single-cell level hPSCs differentiation roadmap. The differentiation roadmap will reveal the molecular regulatory mechanisms of lineage differentiation at high resolution. Based on the differentiation roadmap, we will establish accurate functional cell enrichment schemes to make up the defects of the traditional marker gene system in the complex differentiation system. Furthermore, we will integrate small molecules screening platform to optimize the differentiation of hPSCs into hematopoietic cells. The proposed study will accurately reveal the regulatory mechanism of hPSC lineage differentiation and provide an important theoretical basis for the optimization of hPSC differentiation system.

人多能干细胞具有自我增殖和多向分化能力，对再生医学的研究和应用具有重大的意义。目前研究人员根据发育生物学原理和体外诱导优化实验，基本建立了人多能干细胞向三胚层大部分组织细胞的分化体系。但是目前研究人员对人多能干细胞三胚层分化体系仍然缺乏系统性的认知，导致分化路径不明，效率低下和质控困难。为了解决这个问题，本项目将整合多组学单细胞分析技术绘制单细胞水平的人多能干细胞体外三胚层分化图谱，揭示谱系分化过程中更精细的分子调控机制。同时基于分化图谱我们将建立更精确的功能细胞富集方案，从而弥补传统标记基因系统在复杂分化体系中的缺陷。进一步，我们将整合小分子化合物筛选平台来优化人多能干细胞分化造血细胞的体系。本研究将精确地揭示人多能干细胞谱系分化的调控机制，为人多能干细胞分化体系的优化提供重要的理论基础。

人多能干细胞体内分化具有多谱系分化、血管形成及密切的细胞互作等特点。畸胎瘤作为检验干细胞多能性的金标准，是研究人多能干细胞体内分化的理想模型，避开了胚胎和胎儿研究面临的诸多伦理问题。为了系统地探究人多能干细胞的多谱系分化机制，本研究通过单细胞分析技术构建了包含239,670个细胞的人多能干细胞体内分化图谱，并绘制了18条细胞分化轨迹。我们在转录水平与表观水平表征了人多能干细胞分化的基因调控模式，并以肠神经元形成为例揭示了分化过程中转录调控的动态变化。我们发现，与正常小鼠的肌肉组织相比，人多能干细胞体内分化微环境呈现出更强的血管生成特征。最后，通过自主开发、可鉴定细胞身份及推测细胞发育阶段的R包dscBLAST，我们发现分化细胞主要处于未成熟的发育阶段，进一步证明该模型可用作多能干细胞早期分化机制的研究。总的来说，本项目为干细胞命运决定及胚胎发育提供了新的见解；为在干细胞分化模型中实现定向分化、富集特定组织及诱导血管生成提供理论基础；同时，dscBLAST的构建为鉴定发育中各种细胞的身份及状态提供了有力工具。