应用单细胞技术建立人类胚胎视网膜祖细胞发育谱系

Transplantation of retinal stem cells offers hope for treating retinal degeneration. In an ideal situation, a homogenous population of retinal progenitor cells(RPC)–derived retinal neurons with high purity is used for replacement therapy. However, our knowledge of RPCs and the genealogy of their lineages remain very limited. Recently, our research group successfully identified that C-kit marked the RPCs in the fetal and somatic retinas. We also used Single-cell RNA-Seq to futher elucidated the dynamic expression profiles and regulation function in embryonic hematopoietic stem cell development. Based on this, using high-throughput RNA sequencing, we intend to further elucidate the developmental transcriptome in human RPCs. We conduct a meta-analysis to compare in vivo RPCs and in vitro cultures. Furthermore, some new transcriptional regulators and downstream cognate effectors will be explored. Our results, therefore, have important implications for cell replacement therapy in retinal degeneration.

干细胞移植为视网膜视神经变性疾病的治疗带来新的希望，由视网膜祖细胞（retinal progenitor cell，RPC）分化的感光前体或神经节前体细胞是理想的种子细胞，但RPC发育具有分子表型转换不明和调控机制复杂的特点，深入解析RPC发育谱系极为重要。我们近期发现C-Kit可以作为RPC的表面标志物，同时，课题合作者首次从单细胞水平上解析了造血干细胞发育异质性规律及谱系动态演化进程。基于以上突破，本项目拟采用人胚胎干细胞三维培养诱导的视网膜模型，以人正常胚胎视网膜做参照，获取不同发育阶段的RPC，结合单细胞高通量全转录组测序，系统性地阐述人胚胎RPC发育异质性规律及谱系动态演化进程，修正或寻找新的表面分子，发掘调控RPC发育和分化的关键基因，并利用RNA pull-down 等技术初步揭示关键基因调控机制，以期从单细胞尺度解析RPC发育谱系，为RPC转化医学提供新的理论依据。

视网膜发育是一个非常复杂且严格的时空分层过程。然而我们对视网膜祖细胞分化为子细胞的模糊认识，将在很大程度上影响我们对视网膜祖细胞异质性的理解，对基因调控网络的解剖，甚至识别分离视网膜祖细胞的关键分子。为解决这个问题，我们通过单细胞RNA测序分析了小鼠和人类在不同发育阶段视网膜发生的转录特征。我们阐述了视网膜发育过程中主要细胞类型的转录景观，以及RPC分化和特化的完整过程。晚期的RPCs经过终分裂，特别是其亚簇表现出光受体能力，高表达碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)基因，包括Olig2、Neurog2和Atoh7。有趣的是，我们注意到Sstr2编码的一个表面标记物也在这个阶段特异性表达，与bHLH基因重叠，并进一步通过组织学验证。总之，本研究代表了视网膜发育过程中不同谱系丰富的转录资源，并提出了一个可行的RPC分离目标和视网膜变性疾病的治疗策略。