多能干细胞分化图谱揭示TMEM88作为血压发育调控因子的新机制

本研究通过构建条形码标记的人诱导多能干细胞(iPSCs)，建立了涵盖8天时间跨度的多谱系分化图谱，结合WNT/BMP/VEGF信号通路调控，系统解析了中内胚层分化机制。研究发现WNT抑制因子TMEM88通过调控心血管谱系分化影响血压表型，基因敲除模型证实其可导致动脉血压异常。该研究为发育生理学的遗传调控机制提供了新见解，并为心血管疾病治疗提供了潜在靶点。

　　

在发育生物学和再生医学领域，人类多能干细胞(hPSCs)分化机制的研究始终面临重大挑战。尽管单细胞组学技术迅猛发展，但体外hPSCs分化的系统性图谱仍属稀缺资源，这严重制约了我们对细胞命运决定分子机制的理解。更棘手的是，现有样本多重分析方法要么需要不同遗传背景的样本，要么涉及额外的细胞处理步骤，这些技术局限都给数据解读带来了额外变数。与此同时，如何将体外干细胞研究的发现转化为对发育生理学和疾病机制的认知，也缺乏有效的桥梁。

针对这些关键问题，来自澳大利亚昆士兰大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了创新性研究成果。研究人员首先开发了基于CRISPR-Cas9的基因组条形码标记技术，将独特的15bp条形码整合到AAVS1基因位点，建立了18个同源基因型的条形码iPSC系。通过结合细胞哈希标记和单细胞RNA测序(scRNA-seq)，构建了涵盖8天分化过程的时间序列图谱，并系统分析了WNT、BMP和VEGF信号通路扰动对中内胚层分化的影响。研究首次揭示跨膜蛋白TMEM88作为WNT信号抑制因子在心血管发育和血压调控中的关键作用，为理解发育生理学的遗传基础提供了新视角。

关键技术方法包括：1) 设计18个独特条形码并通过CRISPR-Cas9定点整合至AAVS1位点；2) 采用10x Genomics Chromium平台进行单细胞RNA测序；3) 整合时间序列和信号扰动数据集进行多维度分析；4) 开发TRIAGE-Cluster和TRIAGE-ParseR算法进行细胞亚群鉴定；5) 结合UK Biobank数据进行孟德尔随机化(SMR)分析；6) 建立TMEM88条件性敲除小鼠模型进行功能验证。

研究结果部分，文章通过多个小标题系统呈现了重要发现：

"Derivation of barcoded iPSCs for multiplexed single-cell RNA-seq"展示了条形码iPSCs的成功构建。研究人员设计的条形码系统实现了83.2%的样本分配准确率，与成熟的细胞哈希技术相当。这些工程化细胞系保持了正常的核型、多能性标志物表达和分化潜能，为大规模多重实验奠定了基础。

"Generation of a multiplexed atlas of iPSC differentiation in vitro"部分，研究整合了13,682个时间序列细胞和48,526个信号扰动细胞的转录组数据，鉴定出13个主要细胞簇。通过标记基因分析和参考数据集比对，这些群体被注释为侧板中胚层(HAND1⁺)、轴旁中胚层(PRRX1⁺)、心肌细胞(MYH6⁺)等发育相关细胞类型。CellChat分析揭示了WNT、BMP和VEGF通路在细胞间通讯中的核心作用。

"Evaluation of gene programmes underpinning cell subtypes"采用创新的TRIAGE-Cluster方法，将分析分辨率提升至23个细胞亚群。通过比对小鼠器官发生和人类原肠胚形成单细胞图谱，研究者发现体外培养系统成功模拟了从原肠胚到器官发生阶段的关键发育事件。特别值得注意的是，TRIAGE-ParseR分析揭示了心室间隔发育相关的基因模块，为心脏谱系研究提供了新线索。

"Analysis of signalling pathway-associated cell differentiation"显示WNT通路调控对细胞命运决定具有最显著影响。高剂量WNT抑制剂XAV939促进心血管谱系分化，而WNT激动剂CHIR99021则偏向于前肠内胚层形成。通过整合UK Biobank的61个人类复杂性状数据，SMR分析将TMEM88、NDRG2等WNT相关基因与心肌和血管表型联系起来。

"Role of TMEM88 in cardiovascular cell differentiation and physiology"部分，CRISPRi介导的TMEM88敲除导致内皮细胞和后前肠祖细胞比例异常。更引人注目的是，Tmem88敲除小鼠表现出动脉血压变异性的显著增加，这与人类遗传数据中TMEM88表达与血压性状的关联高度一致。微计算机断层扫描还发现敲除胚胎存在椎骨、骨盆和动脉导管的结构异常。

这项研究的结论部分强调，通过整合大规模多谱系干细胞分化图谱与群体遗传学分析，成功将体外发现的发育调控因子与体内生理功能联系起来。TMEM88作为新型血压调控因子的鉴定，不仅拓展了我们对心血管发育分子机制的认识，也为高血压等疾病的治疗提供了潜在靶点。研究所建立的条形码技术和分析流程，更为发育生物学研究提供了可扩展的平台工具。

从更广泛的视角看，这项工作的重要意义体现在三个方面：首先，基因组条形码标记技术克服了传统多重分析的局限性，使同源遗传背景样本的大规模并行研究成为可能；其次，TRIAGE系列算法为单细胞数据的生物学解读提供了新范式，特别是对中间态细胞类型的鉴定具有独特优势；最后，研究开创性地将干细胞模型与人类遗传学相结合，为破解"基因型-表型"关联的发育基础建立了创新框架。这些突破对再生医学、疾病建模和药物开发都将产生深远影响。