北大生命科学学院教授汤富酬连发8篇高水平文章 | 解析

2018年7月30号，中科院上海生物化学与细胞生物学研究所童明汉、李劲松课题组与北京大学汤富酬课题组合作在Cell Research上在线发表了题为“Single-cell RNA-seq uncovers dynamic processes and critical regulators in mouse spermatogenesis”的研究论文。

在这里，人员开发了一种方法，通过结合转基因标记和生精上皮周期的同步，以及随后的单细胞RNA测序来纯化所有类型的同质生精细胞。该研究揭示了基因表达中广泛的和以前未表征的动态过程和分子特征，以及选择性剪接的特定模式，以及用于雄性生殖细胞发育特定阶段的新型调节剂。转录组学分析提供了圆形精子细胞成熟影响胚胎发育的证据。这项工作为哺乳动物精子发生提供了宝贵的见解，并为将来完成阐明配子发生的研究提供了全面的资源。

现特将汤富酬课题组的这8篇文章总结于此，系统的介绍汤富酬课题组所取得的成果以飨读者。

1、Nature Cell Bio:人类早期胚胎的单细胞多组学测序

DNA甲基化，染色质状态及其相互关系代表了关键的表观遗传学信息，但是这些在人类早期胚胎中大部分是未知的。在这里，研究人员应用单细胞染色质整体的大规模景观测序（scCOOL-seq）来生成人类植入前发育期间单细胞分辨率的DNA甲基化和染色质可及性的全基因组图谱。

人类早期胚胎的染色质可及性

与小鼠不同，父本基因组的染色质已经比人类合子中期的母本基因组更加开放，这种状态一直维持到4细胞阶段。受精后，DNA甲基化高度变异的基因和染色质可及性变异高的基因往往是两套不同的组合。此外，在转录活性被抑制时，启动子中5,155（35％）个广泛开放的染色质区域中有1,797个关闭，表明转录和开放染色质维持之间的反馈机制。该研究工作为剖析人类植入前发育过程中复杂而又高度协调的表观遗传重编程铺平了道路。

原文链接：Single-cell multi-omics sequencing of human early embryos

2、Cell Res:北大汤富酬研究组通过单细胞RNA-seq分析进行人类胚胎大脑皮层的空间转录组学研究

人类大脑发育的细胞复杂性已被深入研究，尽管基于单细胞转录组分析的整个人类大脑皮质的区域特征尚未见报道。在这里，研究人员对来自人类中期胚胎的22个脑区域的4,000多个个体细胞进行了RNA-seq。研究确定了29个细胞亚群，这些亚群在每个区域显示出不同的比例，并且脑桥显示出特别高的星形胶质细胞百分比。

人类胚胎大脑皮层的细胞类型分类

胚胎神经元并不像成人神经元那么多样化，尽管它们在成人中具有其命运的重要特征。神经元发育在大脑皮层中是不同步的，因为在此阶段背侧区域似乎比腹侧区域更成熟。在每个神经元亚群中全面鉴定区特异性基因，并且这些基因中的大部分与神经疾病有关。该研究结果提出了人类大脑皮质的区域化基因表达和神经元成熟的系统性景观。

原文链接：Spatial transcriptomic survey of human embryonic cerebral cortex by single-cell RNA-seq analysis

3、Nature:汤富酬研究组与合作者首次绘制人脑前额叶发育的单细胞图谱并揭示神经元分化成熟机制

2018年3月14日，北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬研究组与中国科学院生物物理研究所王晓群研究组，携手北京大学第三医院乔杰研究组和首都医科大学附属安贞医院张军研究组联合在国际著名学术期刊Nature上在线发表了题为“A Single-cell RNA-Seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex”的文章。

人脑前额叶细胞发育图示

该研究利用单细胞转录组测序手段，绘制了人脑前额叶胚胎发育过程的单细胞转录组图谱，解析了人类胚胎大脑前额叶发育的细胞类型多样性及不同细胞类型之间的发育关系，揭示了神经元产生和环路形成的分子调控机制，并对其中关键的细胞类型进行了系统的功能研究，为绘制最终完整的人脑细胞图谱，奠定了重要的基础。

原文：A single-cell RNA-seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex

4、Nature Cell Bio:经过多年攻关，汤富酬等研究组系统揭示人类消化道“发育细胞图谱”

人类消化道有多少种细胞类型？它们“长”什么样？经过多年联合攻关，我国科学家近日在国际上首次全面、系统地阐明了食道、胃、小肠和大肠4种器官在人类胚胎发育过程中的基因表达图谱及其信号调控机制，为消化道生物学研究领域提供了全面、翔实的发育细胞图谱数据。由北京未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）、北京大学生物动态光学成像中心及北京大学第三医院多个课题组联合攻关取得的研究成果，近日在国际知名学术期刊《自然·细胞生物学》上在线发表。

消化道是人体消化系统中最重要的组成部分，主要由食道、胃、小肠、大肠组成，揭示这4种器官在人类胚胎发育过程中的基因表达调控网络及“细胞类型图谱”，是发育生物学领域的重大问题之一。“这项研究是国际上首次在单细胞分辨率和全转录组条件下，全面、系统地揭示这4种器官不同细胞类型之间的精准发育路径和基因表达特征。”多年来致力于人类早期胚胎以及生殖系发育的单细胞功能基因组学研究的北京未来基因诊断高精尖创新中心副主任汤富酬教授说。研究人员首先分离并获取了人类6到25周胚胎中食道、胃、小肠、大肠4种器官以及成年人的大肠总计5277个单细胞，再对其进行高精度的单细胞转录组测序，获得了多达5T的基因表达谱数据。

在对海量数据进行深入挖掘的基础上，研究团队全面系统地对这4种器官的发育进程在基因表达调控层面进行解析，并获得许多重要发现。例如，鉴定出这4种器官共40种不同的重要细胞类型，其中包括在人类胚胎发育阶段的30种细胞类型；首次系统地研究了从胎儿到成年人的大肠的发育过程，精确鉴定出成年人大肠中10种主要的细胞类型等。“这项研究就相当于提供了一个消化道正常细胞的精确图谱，供研究人员比对，为鉴定多能性干细胞体外分化产生的消化道细胞的基因表达特征提供了重要标准。”汤富酬说。科学家的研究和发现，也为4种消化道器官相关癌症的研究特别是对结直肠癌的癌变机理研究，在基因表达层面上提供了重要参考。“要治疗肠癌，就得把癌细胞搞清楚，这就需要跟正常细胞去比对。”汤富酬说。

5、Nature Genetics：汤富酬和乔杰课题组合作发表研究成果首次在单细胞水平上揭示人类早期胚胎的DNA甲基化动态

2017年12月19日，北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬研究组和北京大学第三医院乔杰研究组合作在国际知名学术期刊《自然遗传学》上在线发表题为“Single-cell DNA Methylome Sequencing of Human Preimplantation Embryos”的文章。该团队利用单细胞DNA甲基化组高通量测序方法，首次在单细胞分辨率对人类植入前胚胎发育过程进行了更加深入的分析，揭示了人类早期胚胎DNA去甲基化和从头加甲基化的动态变化、父母本基因组差异甲基化等关键特征。

为了进一步在单细胞分辨率研究DNA甲基化重编程过程的动态特征，该团队利用单细胞全基因组DNA甲基化组高通量测序技术，对人类植入前胚胎发育的各个关键阶段进行了单细胞、单碱基分辨率的系统研究，主要发现有：1）首次发现了人类植入前胚胎发育过程中存在大量特异性的DNA从头加甲基化。此前研究显示在着床前的早期胚胎发育过程中只有大规模的DNA去甲基化。2）首次发现从二细胞胚胎阶段开始父母本基因组上的剩余甲基化水平发生逆转，在同一个单细胞中母本基因组上的剩余甲基化水平显著高于父本基因组上的剩余甲基化水平。3）首次发现DNA甲基化在早期胚胎卵裂过程中的不对称分配可以用来追溯同一个胚胎中每个细胞的遗传谱系。

原文链接：Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos

6、Cell Res：北京大学汤富酬和中科院景乃禾研究组合作揭示H3K27me3修饰和DNA甲基化对胚胎命运决定过程中的重要作用

2018年2月20日，国际著名学术期刊Cell Research在线发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所景乃禾研究组和北京大学汤富酬研究组的合作论文“Silencing of developmental genes by H3K27me3 and DNA methylation reflects the discrepant plasticity of embryonic and extraembryonic lineages”。该研究揭示了原肠运动时期胚胎不同部位细胞的DNA甲基化和H3K27me3修饰模式的变化规律，并发现了发育相关基因在胚外区域富集DNA甲基化修饰、在胚胎区域富集H3K27me3修饰的现象,阐明了两种表观调控机制对于介导胚外和胚胎部分细胞发育潜能的差异具有重要作用。

发育相关基因区域的差异表观调控促进胚胎发育的顺利进行

细胞命运决定过程的调控机制是发育生物学及干细胞研究领域的关键问题之一。在小鼠胚胎早期发育过程中，具有全能性的合子细胞经过不断的细胞增殖后逐渐特化形成滋养外胚层（TE）和内细胞团(ICM)细胞。其中TE继而形成胚外外胚层等细胞，并最终形成胎盘组织等；ICM细胞则发育形成原始内胚层细胞和上胚层细胞，上胚层细胞经过原肠运动形成外、中、内三个胚层，将来发育形成完整个体。表观遗传调控在该过程中发挥着非常重要的作用。在景乃禾研究员和汤富酬教授的指导下，研究人员通过建立了基于少量细胞的染色质免疫沉淀技术和亚硫酸盐测序技术等，研究了小鼠着床后胚胎不同部位细胞的组蛋白H3K27me3 修饰和DNA 甲基化修饰的变化规律和分布特点，发现并验证了着床后胚胎中发育相关基因在胚胎区域和胚外区域调控机制的差别及其对发育潜能的影响。这一研究结果为阐明不同表观调控对细胞命运及发育可塑性的影响、认识干细胞的全能性与分化潜能以及干细胞转化医学应用等提供了全新的视角和理论指导。

原文链接：Silencing of developmental genes by H3K27me3 and DNA methylation reflects the discrepant plasticity of embryonic and extraembryonic lineages

7、Nature Biot：特邀评论"提升单细胞分析的能力"

单细胞RNA测序(RNA-seq)正在改变我们对复杂生物系统的理解.目前的技术可以在一次实验中测量数千个单个细胞的转录，从而能够发现在群体水平上无法识别的稀有细胞类型和细胞异质性。然而，将来自不同单细胞实验的数据组合起来在技术上是很有挑战性的，如果没有好的工具，就无法充分利用正在产生的大量数据。在这个问题上，Haghverdi等人和Butler等人描述了两种纠正技术错误的计算方法，即在独立单细胞数据集的元分析过程中产生的处理效应。他们展示了这些方法是如何发现新的生物变异和新的细胞类型的，暗示了通过挖掘现有数据集可以获得更多的未知联系。

利用相邻最近和典型相关分析单细胞数据集的精确组合

近年来，单细胞转录组学的产量和成本迅速提高。 这些技术进步已经启动了大规模项目，如人类细胞图谱，旨在从数百万个单细胞中产生转录组数据，以确定新的细胞种群和功能。 这种规模的数据生成需要很长时间的参与，使用不同的试剂，分析和测序平台。 一起分析这些数据会导致系统变化，称为批处理效应，如果不加修正，可能导致虚假的数据解释。 例如，如果使用相同的实验条件在同一天测量两个细胞的转录组，则可能看起来更相似，如果它们使用不同的技术在不同的时间进行分析。 当这些差异实际上是技术性的时候，可以解释为生物差异。

原文链接：Boosting the power of single-cell analysis

8、Cell Research：单细胞RNA-seq揭示了小鼠精子发生过程中的动态过程和关键调节因子

对雄性生殖细胞进行系统的了解是完全掌握控制精子发生的分子机制以及制定不孕症治疗和男性避孕新策略的关键。在这里，人员开发了一种方法，通过结合转基因标记和生精上皮周期的同步，以及随后的单细胞RNA测序来纯化所有类型的同质生精细胞。该研究揭示了基因表达中广泛的和以前未表征的动态过程和分子特征，以及选择性剪接的特定模式，以及用于雄性生殖细胞发育特定阶段的新型调节剂。转录组学分析使我们发现了在特定阶段分离圆形精子细胞的判别标记，以及早期和晚期精子细胞之间不同的胚胎发育潜能，提供了圆形精子细胞成熟影响胚胎发育的证据。这项工作为哺乳动物精子发生提供了宝贵的见解，并为将来完成阐明配子发生的研究提供了全面的资源。

原文链接：Single-cell RNA-seq uncovers dynamic processes and critical regulators in mouse spermatogenesis

汤富酬

北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心，教授；北京未来基因诊断高精尖创新中心，北大-清华生命科学联合中心，研究员。

实验室研究领域：

具有自我更新能力和分化潜能的干细胞是哺乳动物胚胎发育过程中以及成体中的关键类型的细胞，对各种干细胞进行深入研究是理解哺乳动物发育、生长机制的关键，也是将干细胞应用于临床再生医学、治疗人类疾病的前提。

本实验室主要围绕人类早期胚胎发育研究多能干细胞的自我更新和多能性调控的分子机理，特别是表观遗传学调控机理，以及相关的早期生殖细胞发育过程中的表观遗传学重编程机理。利用我们发展的单细胞功能基因组学分析技术（单细胞转录组测序技术、单细胞DNA甲基化组测序技术、单细胞染色质状态组测序技术、单细胞多组学平行测序技术等），以及基因编辑技术、染色质免疫共沉淀-高通量测序技术、小鼠胚胎显微操作技术、以及人类胚胎干细胞体外定向分化等技术在单细胞和单碱基分辨率深入分析人类早期胚胎、生殖系细胞、以及多能性干细胞中基因表达网络的表观遗传学调控机理。