单细胞转录组揭示人类胚胎肠道发育过程中自噬相关的基因动态表达

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文章信息

今天分享的文章是利用单细胞转录组揭示人类胚胎肠道发育过程中自噬相关的基因动态表达变化情况。于2019年8月发表在Autophagy上，题为：Dissecting dynamic expression of autophagy-related genes during human fetal digestive tract development via single-cell RNA sequencing。DOI:https://doi.org/10.1080/15548627.2019.1656956.

摘 要

巨自噬/自噬已被证明在胚胎发育中起着至关重要作用。但是，自噬在人类胎儿消化道发育中的作用尚未有研究报道。本研究，使用超过5000个从6周到25周不等的人类胚胎消化道细胞，从单细胞水平探索了自噬相关基因的动态表达，并发现自噬相关基因的转录活性显著增强。特别是在早期阶段(6 - 9周)， 有趣的是，第9周的小肠细胞显示出自噬相关基因的富集程度高于其他任何阶段。综上所述，我们的研究结果首次揭示了自噬可能在人类胚胎早期的消化道发育中起着至关重要的作用，尤其是对小肠而言。

引言

胃肠道(GI)，又称消化道，是人类和动物体内的一个器官系统，它吸收食物，消化食物以提取和吸收能量和营养，并将剩余的废物作为粪便排出体外。食道，胃，小肠和大肠是胃肠道的一部分。考虑到其在摄入基本营养物质和药物中的关键作用，以及胃肠道癌症占癌症相关死亡率的30%以上的事实，因此迫切需要对胃肠道器官系统进行全面研究。自噬在人类健康和疾病中起着至关重要的作用，它调节组织发育、细胞分化和稳态等生物学过程。最近的研究表明，自噬在胃肠道生长和扩张中发挥重要作用，并且可能成为胃肠道恶性肿瘤新的治疗靶点。然而，在人类胎儿胃肠道发育过程中自噬的动态变化从未在单细胞水平上进行过系统的研究。因此，我们通过单细胞基因表达分析全面检查了人类胚胎消化道发育过程中自噬相关基因的动态表达，为揭示自噬与人类胎儿消化道发育的关系提供了一个新的视角。

结果

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人类胎儿小肠发育过程中自噬相关基因的动态表达

根据从15个6到25周的人类胚胎消化道中获得5290个单细胞进行测序，我们全面检查了从人类自噬数据库，和人类自噬调节剂中检索到的1,411个人类自噬相关基因的表达数据库，是伴随着人类胎儿消化道发育过程中的实验证据。为了确定这1411个自噬相关基因的准确性，我们通过使用以下标准人工查阅相应的文献来检查这些基因：(1)自噬相关基因至少在四个数据库中的一个有实验证据;(2)自噬关系明确的文献支持(详见表S1)。我们的结果表明，自噬相关基因倾向于在早期（6–9周）阶段富集，据报道，这些基因比晚期（11–25周）阶段更具增殖特性和原始性。更重要的是，在人类胎儿消化道发育过程中，自噬相关基因的转录活性从6周到9周逐渐增强（图1A）。此外，我们对从四个数据框中至少两个数据库中提取的613个自噬相关基因进行了相同的分析（表S2中的详细信息），并获得了一致的结果（图S1A）。

接下来，我们关注每个细胞中自噬相关基因的表达水平。结合先前的t分布随机邻居嵌入（t-SNE）分析结果，如图1B，C所示，15组中有81.4%的细胞自噬相关基因高表达(中位TPM>1)。有趣的是，有趣的是，在人类胎儿小肠发育的第9周，几乎所有细胞（87个细胞中的86个）都表达了人类四个胎儿消化道器官所有阶段的大部分自噬相关基因（图1A， S1B和S1C），聚集在第15组中。为了更好地研究人类胎儿小肠的发育过程中自噬相关基因的动态表达，我们对6周至9周的相邻阶段的基因进行了差异表达分析。总共有933个与自噬相关的基因在相邻的阶段之间显示出显著的变化。随后，对这些基因进行无监督的层次聚类，形成5个聚类（图1D和图S1D）。如图1D所示，近一半的自噬相关基因（簇3和簇4）的表达升高，而另一半（簇2和簇5）的表达却在增加之前下降了，这表明不同的自噬相关基因在人类胎儿小肠发育的早期阶段（6-9周）的功能各各不相同。

临床意义

自噬是维持细胞内环境稳定所必需的，并且参与器官发育的调节。虽然，人类胎儿消化道发育的潜在机制尚未被揭示。通过对单细胞RNA测序数据的全面的生物信息学分析，我们首次揭示了人类胎儿消化道发育过程中自噬相关基因的动态表达。综上所述，我们的研究有助于进一步阐明自噬与人类胎儿消化道发育之间的复杂机制。