Dev Cell | 绘制人类视网膜发育的单细胞图谱

科技工作者之家 2020-05-08

来源:BioArt

责编 | 兮


视觉是我们人类获取外界信息的主要方式,其主要通过位于眼球后壁的视网膜将光信号转换为电信号,最后将信号通过视神经传递到大脑。此外,人类视网膜中有一个灵长类特异的区域称为黄斑区,主要负责明视觉和色觉,任何累及黄斑区的病变都会导致非常明显的视力丧失。因此,了解人视网膜细胞组成及其发育的分子机制,解析黄斑发育的特征,对治疗先天性视网膜疾病至关重要。


目前已知视网膜是由胚胎期端脑一层神经上皮逐渐发育而来,其发育成熟的视网膜中包括穆勒胶质细胞,2种光感受器细胞(视锥细胞和视杆细胞),3种中间神经元和神经节细胞等。尽管不同物种的视网膜在很多方面都具有高度的保守性,但是小鼠和人类相比却仍然有很大的不同,其中最为明显的就是人类视网膜中存在负责高灵敏度视觉和色觉的黄斑区,而调控视网膜物种特异性的分子机制仍然有待研究。


2020年5月7日,中国科学院生物物理所王晓群团队、中国科学技术大学薛天团队和Johns Hopkins大学、多伦多大学、华盛顿大学等多家国际科研机构合作在Developmental Cell上发表题为 Single-cell analysis of human retina identifies evolutionarily conserved and species-specific mechanisms controlling development的研究论文。该工作通过对16个时间点的人胚胎视网膜和4个发育阶段的人视网膜类器官进行高通量单细胞测序,建立了人类视网膜发育的转录组数据库,阐述了视网膜在发育过程中各种细胞类型命运决定以及黄斑形成的分子调控机制,并通过跨物种分析,揭示了人与小鼠的视网膜在发育过程中的进化保守性以及物种特异性,为研究人类视网膜发育以及治疗和干预相关疾病提供了有力的支持。


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在该研究中,研究人员利用高通量单细胞转录组技术对人视网膜类器官、胚胎期到成体期的20个时间点的118555个单细胞进行了测序,分成了126个细胞亚群,并根据已知的细胞类型标记基因将这些亚群注释为11种细胞类型,并且描绘了视网膜细胞的发育轨迹。视网膜发育的起点是视网膜祖细胞,其主要发育主要有两种命运,一部分视网膜祖细胞走向神经源性细胞命运,随后发育成各种神经细胞类型的前体细胞,最后分化成各种类型的神经元,而视网膜祖细胞的另一个命运则是直接分化成为穆勒胶质细胞。同时,利用不同发育阶段细胞类型的组成揭示了人视网膜主要细胞类型出现的先后顺序以及发生的具体时间。为了进一步探究视网膜细胞命运决定的基因表达调控网络,研究人员对每一种细胞类型及其相关的视网膜祖细胞进行了拟时间分析,并且找到了相关细胞类型命运决定的调控基因。


此外,为了研究黄斑区域发育的特殊性,研究人员收集了人胚胎期20周和出生后8天的黄斑区和外周区的样品,通过分析区域差异基因,最终找到了10个与黄斑生成相关的基因,其中CYP26A1可以减低视黄酸的浓度,而低浓度的视黄酸可以促进类似黄斑区域的形成,通过原位杂交实验证明CYP26A1是在黄斑区的视网膜祖细胞和穆勒细胞中特异性地表达。另一个基因CTGF,是Hippo信号通路的下游靶基因,也在黄斑区的穆勒细胞中特异性地表达。虽然Hippo通路在在早期黄斑区发育过程中的具体作用还有待研究,但是这些结果表明黄斑区特异的视网膜祖细胞以及穆勒胶质细胞对黄斑区的形成至关重要。


为了进一步研究人类和小鼠视网膜发育中的基因调控网络的保守性和物种特异性,研究人员将3113个高变基因分成了97种基因共表达集群,通过分析人类和小鼠数据中每个基因集群与每种主要视网膜细胞类型之间的关联,证明了一部分同源基因在两个物种间具有不同的表达模式,并且其内在调控网络不同,这样的差异在光感受器细胞中尤为明显。


过去的研究更多地认为ATOH7是在早期的视网膜祖细胞中表达,并且与视网膜神经节细胞的命运决定相关,本研究首次发现 ATOH7除了在早期的视网膜祖细胞中表达以外,还在晚期的视网膜祖细胞、各种前体细胞以及未成熟的光感受器细胞中表达。通过共染ATOH7和OTX2/CRX,证明了ATOH7在早期和晚期的感光细胞中均有表达。研究发现降低ATOH7的表达会导致视锥感光细胞的比例降低,但是不会降低整体光感受器细胞的数量,证明了ATOH7基因在晚期视网膜神经发生过程中调控视锥细胞和视杆细胞命运决定的的新功能。


原文链接:https://doi.org/10.1016/j.devcel.2020.04.009


制版人:珂



来源:BioGossip BioArt

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