多谱系分化单细胞转录组图谱揭示人类多能干细胞分化过程中的信号调控网络

本研究通过构建人类诱导多能干细胞(hiPSCs)向中内胚层分化的单细胞RNA测序(scRNA-seq)时间序列数据集，结合WNT、BMP4和VEGF信号通路的小分子扰动实验，建立了包含60,000多个细胞的单细胞转录组图谱。研究人员采用RCPI算法整合数据，鉴定出12个细胞亚群，揭示了TMEM88等关键调控因子在心血管发育中的作用。该研究为干细胞分化协议优化、药物筛选和再生医学应用提供了重要参考。

　　

在生命科学和再生医学领域，人类多能干细胞(hPSCs)因其无限自我更新和分化为各种细胞类型的能力而备受关注。这些"万能细胞"为疾病建模、药物筛选和细胞治疗提供了前所未有的机会。然而，尽管已经开发出众多分化方案，科学家们仍面临一个关键挑战：如何精确控制干细胞向特定谱系的分化过程？这其中的核心问题在于对细胞分化过程中基因表达动态变化和信号通路调控机制的了解仍不全面。

昆士兰大学分子生物科学研究所的研究人员在《Scientific Data》发表了一项开创性研究。他们构建了一个全面的单细胞转录组图谱，追踪了人类诱导多能干细胞(hiPSCs)向中内胚层分化的全过程。这项研究不仅提供了高分辨率的时间序列数据，还通过系统扰动WNT、BMP4和VEGF等关键发育信号通路，揭示了这些通路在细胞命运决定中的精确调控作用。

研究人员采用了多项关键技术：单细胞RNA测序(scRNA-seq)用于捕获转录组信息；细胞哈希(Cell Hashing)和基因组条形码技术实现样本多重分析；RCPI算法整合不同数据集；TRIAGE-cluster分析鉴定细胞类型特异性调控基因。研究使用了WTC CRISPRi TMEM88-g2.3 GCaMP hiPSC细胞系和18个定制条形码hiPSC细胞系，通过中内胚层定向分化方案获得实验样本。

背景

细胞分化是由连续的信号线索协调基因表达变化的过程。hPSCs提供了一个可控且可扩展的平台来研究这一过程。然而，该领域缺乏对分化参数的标准化评估，限制了治疗方案的可重复性和优化。本研究旨在通过评估中内胚层阶段有限信号线索的影响来解决这一问题，同时控制所有其他变量。

方法

研究提供了两部分数据集：第一部分记录了hiPSCs在8天分化过程中向中内胚层细胞类型分化的时间基因表达变化；第二部分通过小分子或重组蛋白靶向WNT、BMP4和VEGF信号通路，研究这些通路在分化中的作用。数据以两个独立的scRNA-seq数据集形式提供，同时提供带有细胞类型注释的整合数据集。

数据记录

所有原始和处理后的数据已上传至NCBI Gene Expression Omnibus数据库(登录号GSE279710)。信号扰动库1-3(样本GSM8578510-15)、对照时间序列(样本GSM8578516-17)以及带有"GSE279710_integrated_sig_time"前缀的补充(处理)文件构成了本研究的核心数据资源。

技术验证

通过单细胞RNA测序和质量控制，研究人员生成了时间序列对照和信号扰动scRNA-seq数据集。前者使用细胞哈希进行样本多重分析，包含从分化第2天到第9天的8个时间点；后者捕获了在分化第2、5和9天的细胞，通过18个同基因条形码细胞系实现样本多重分析。数据集成使用RCPI算法，有效解决了潜在的批次效应问题。

数据集集成和细胞类型注释

对两个scRNA-seq数据集的原始计数矩阵进行数据集成，使用RCPI方法。通过UMAP降维和Seurat包中的FindClusters函数进行细胞类型聚类分析。使用FindAllMarkers函数寻找每个簇的差异表达基因，并进行GO术语和KEGG通路富集分析。通过与三个体内发育scRNA-seq数据集的比较，验证了数据集的可靠性。

研究的主要发现包括：鉴定出12个不同的细胞亚群，包括中内胚层、定形内胚层、中胚层、内皮细胞、后前肠和心肌细胞等；发现信号扰动数据集产生了独特的轴向中胚层、前前肠内胚层、节点细胞和神经样细胞群体；证实心肌细胞簇在XAV处理中显著富集，这与WNT抑制剂在心肌细胞分化方案中的常用用途一致。

这项研究提供了受控的scRNA-seq数据集，捕捉了hPSCs中内胚层分化信号调节的细胞类型动态。通过分析分化连续阶段和WNT、BMP和VEGF信号通路扰动下的60,000多个细胞，为体外分化与体内发育的基准测试提供了宝贵参考点。该数据集支持对剂量依赖性信号效应的解析，深入了解通路调节如何影响与胚胎发生和器官发生相关的命运决定。这一资源将有助于优化高保真心肌细胞分化方案，在再生医学、药物筛选应用中发挥作用，并为合成生物学和定制细胞分化策略提供信息。