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我院陈凯教授与普林斯顿科学家合作发表NATURE研究论文

绘制脊索动物首个完整单细胞转录谱系

· 新闻

北京时间2019年7月11日凌晨,普林斯顿大学Mike Levine院士(hox基因的共同发现者)和昆明理工大学灵长类转化医学研究院陈凯教授(注1)以通讯作者在国际顶尖科学杂志NATURE上,以长文形式发表了题为“Comprehensivesingle-celltranscriptomelineages ofa proto-vertebrate”(脊索动物的全面单细胞转录细胞谱系)的研究论文,并被Nature杂志邀请国际知名科学家Nori Satoh进行点评。

研究团队以玻璃海鞘为模型,绘制了首个涵盖从三胚层分化到孵化全过程的脊索动物胚胎发育单细胞转录图谱,并成功构建了包括神经系统在内全部组织类型的细胞分化谱系。在此基础上,研究团队能够有效地探索细胞命运决定过程中的基因调控网络,并对脊索和神经系统基因调控网络的细致分析,揭示了脊索在整个脊索动物门进化过程的中间态,并提出脊椎动物特有的端脑(telencephalon)可能的新进化机制

利用这些高覆盖率的转录组数据,文章的共同第一作者曹晨博士构建了包含幼虫神经系统近40个亚型的各种主要组织类型的虚拟细胞谱系图和基因网络。这些细胞谱系可以追溯回原肠胚初始的110-细胞阶段。作为无脊椎往脊椎过渡的进化节点动物,海鞘在了解脊椎动物新细胞类型的进化上有着重要的研究意义。这其中端脑是公认的脊椎动物的主要进化创新,为之后高等脊椎动物大脑皮层的进化提供基础。

目前被广泛接受的假说是原始前脑的分区,形成间脑和端脑。通过对构建的玻璃海鞘所有前脑和相关细胞谱系的调控基因分析,研究团队发现主要的端脑发育转录因子在玻璃海鞘都有表达,但分别在两个结构上完全不同的区域。其中Six3/6, FoxJ1, Lhx2/9和Otp在前脑最前侧表达,而FoxG, Dlx和SP8则在神经基板来源的感受细胞表达。基于这些结果,研究团队提出端脑有可能是前脑在神经管闭合过程中进一步往末端延伸,将神经基板的调控网络整合形成。

为了验证这一个假说,来自Stowers Institute的王伟博士加入这项研究,将连接着海鞘FoxG增强子的报告基因注射到非洲鳉鱼(N. furzeri)受精卵中,利用非洲鳉鱼性成熟极快的特点快速建立了稳定的转基因系,他惊喜地发现在神经基板里特异表达的荧光蛋白在鳉鱼幼虫的端脑最末端表达。这一发现和提出的前脑和神经基板基因网络整合的假说相一致,为脊椎动物端脑的起源和进化提供了重要分子证据。

注1:本项工作的共同通讯作者陈凯教授已于2018年11月加入昆明理工大学灵长类转化医学研究院,入选云南省“千人计划”。陈凯教授2005年毕业于兰州大学生命科学学院获得本科学位,之后在中科院昆明动物所师从季维智研究员实验室进行硕士学习,2013年从美国斯托尔斯医学研究所取得发育生物学博士学位,2013-2018年在美国斯托尔斯医学研究所和美国普林斯顿大学从事博士后研究,长期从事早期胚胎发育的转录调控研究,发现合子基因组启动过程中核心启动子的差异性使用,首次运用单细胞测序揭示神经脊在脊索动物的进化来源,成功结合单细胞测序和发育生物学手段揭示多巴胺神经元终末分化保守的调控策略,作为主要参与人完成多项美国国立卫生研究院科研项目。以通讯作者/第一作者和主要作者在Nature、Cell、eLife、Cell Rep、Genes & Development、Genome Research等国际学术刊物上发表多篇论文。

 

昆明理工大学灵长类转化医学研究院在季维智院士带领下,科学家围绕灵长类发育与衰老、干细胞多能性和复杂疾病机制等科学问题,聚焦以基因治疗和干细胞治疗为基础的新的生物治疗方法,建立从基础到临床的系统研究体系。深入研究灵长类胚胎早期发育,基因编辑与复杂疾病机制,干细胞与再生医学,揭示灵长类重要生命过程的发生规律,阐明复杂疾病的致病机理,为发展新的生物治疗方法提供思路和科学依据。研究院自2015年成立以来,已在Cell,Cell Stem Cell等期刊发表多篇高水平论文,并活跃在灵长类生物医学研究的前沿领域,呈现出快速发展的态势。

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