single-cell resolution에서 영장류의 gastrulation과 early organogenesis
Abstract
인간의 초기 발달에 대한 우리의 이해는 embryonic tissue에 대한 제한된 접근으로 인해 심각하게 방해를 받는다. 인간과의 밀접한 진화적 관계 때문에 인간이 아닌 영장류는 인간의 발달을 이해하기 위해 종종 대리로 사용되지만, 현재는 특히 embryonic cell type이 dynamically specified되는 gastrulation에서 early organogenesis에 이르기까지 in vivo dataset의 부족으로 어려움을 겪고 있다. 이 격차를 메우기 위해 Carnegie stage 8–11 cynomolgus monkey (Macaca fascularis) embryo 6개를 수집하고 56,636개의 단일 세포에 대한 in-depth transcriptomic analyse를 수행했다. 우리의 분석은 영장류의 primitive streak development, somitogenesis, gut tube formation, neural tube patterning and neural crest differentiation를 포함한 morphogenetic event를 밝히는 데 도움이 되는 주요 perigastrulation 세포 유형의 transcriptomic 특징을 보여준다. 또한, 쥐 embryo와 인간 embryoid와의 비교 분석은 종에 걸쳐 perigastrulation development의 보존되고 다양한 특징(예를 들어, 배란 전 presomitic mesoderm differentiation 동안 Hippo signalling에 대한 종별 의존성)을 발견하고 human early organogenesis 관련 줄기세포 모델에 대한 초기 평가를 제공한다. 유전자가 없는 이 포괄적인 single-cell transcriptome atlas은 인간이 아닌 영장류 연구 분야의 지식 격차를 메울 뿐만 아니라 인간의 embryogenesis와 발달 장애를 이해하는 데 매우 귀중한 자료가 된다.
Figure
Fig. 1. CS8-11에서 cynomolgus monkey embryo의 single-cell transcriptome atlas 구성.
a, 왼쪽, CS8-11 원숭이 embryo의 dynamic morphogenesis에 대한 흐름도 개요.
오른쪽, 표시된 발달 단계에서 얻은 embryo의 대표적인 bright-field image.
b, 38개의 주요 셀 유형을 보여주는 UMAP plot
c, 각 세포 유형에서 over-represented gene을 보여주는 막대 차트.
Fig. 2. monkey embryo에서 PS와 그 파생물의 발달 궤적
a, RNA velocity analysis에서 추론된 궤적과 함께 CS8-11 monkey embryo의 PS 및 그 유도체를 보여주는 UMAP.
b, CS8 embryo를 보여주는 개략도. 왼쪽, dorsal view; 오른쪽, lateral view.
c, PS(빨간색), APS(녹색), node(보라색), DE(주황색) 및 Nas.Meso (회색)에서 상향 조정된 대표적인 TF가 있는 원형 열 지도를 보여주는 Joint hierarchical clustering (HC).
d, 왼쪽, 오른쪽의 IF 영상을 기준으로 관심 영역에 표시된 셀 유형의 분포를 요약한 다이어그램.
오른쪽, 원숭이 E22 embryo에서 T+, CDX2+, OTX2+, FOXA2+, TBX6+ 및 SOX2+ 세포의 위치를 보여주는 IF
e, RNA velocity는 CS8-9 embryo의 PS 및 mesodermal 운명에 의해 UMAP에 중첩된다.
f, 왼쪽, 원숭이 CS9 embryo의 dorsal view에서 Nas.Meso의 잠재적인 이동과 분화 경로를 보여주는 모식도.
오른쪽, 횡단면의 중배엽 유도체를 보여주는 모식도.
Fig. 3. 원숭이 embryo에서 나온 신경 세포의 developmental landscape.
a, CS11 embryo의 신경 세포(FB/MB/HB 및 SC 세포 포함)의 하위 유형을 보여주는 UMAP plot.
b, A-P(가운데)와 D-V(오른쪽) 축을 따라 서로 다른 뇌 영역(왼쪽 위)의 지역화된 표현 패턴을 보여주는 모식도.
c, A-P와 D-V 축을 따라 표시된 신경 세포에서 나타난 WNT, SHH, TGF-β 신호 전달 경로에서 유전자의 발현을 보여주는 Heatmap.
Fig. 4. early embryonic organogenesis의 종 간 전사 비교.
a, CS8-11 원숭이 embryo(왼쪽)와 E6.5-8.5 쥐 embryo(오른쪽)의 통합 데이터 세트를 보여주는 UMAP
b, 왼쪽, 원숭이 E22(위)와 생쥐 E7.5 embryo(아래)에서 EOMES+, T+, TBX6+ 세포의 위치를 요약한 모식도.
c, NMP와 PSM 세포의 관점에서 원숭이와 쥐 사이의 Hippo signalling pathway에서 주목할 만한 분자들의 상이한 발현 패턴을 보여주는 Heatmap.
d, 쥐와 영장류(원숭이와 인간) PSM-like 세포 사이의 상이한 Hippo activity (YAP1)은 somitogenesis 동안 Hippo activation에 대한 종 특이적 요구사항을 나타낸다.
e, Hippo activity의 억제는 쥐 PSM-like 세포의 분화를 손상시키지만 원숭이 PSM-like 세포 분화에는 중간 정도의 효과만 보인다.
f, 총 세포에서 TBX6+의 백분율 정량화.
Disscussion
본 연구에서는 56,636개의 세포에 대한 포괄적인 scRNA-seq 분석을 통해 38개의 주요 세포 클러스터를 식별하고 영장류의 gastrulation and early organogenesis에서 존재하는 3개의 primary germ layer의 developmental landscape를 공개했다. 그런 다음 우리는 CS8-11 원숭이 embryo의 single-cell transcriptome를 유사한 발달 단계의 쥐 embryo와 비교하여 종 간에 보존되고 다양한 transcriptomic 특징에 대한 통찰력을 얻었다. 또한 인간 줄기세포 embryo 모델의 인증을 위한 in vivo 참조로서 CS8-11 원숭이 embryo 데이터 세트의 유용성을 입증했다.
primordial organ과 신체 계획이 확립되는 동안 연구를 위한 CS8-11 인간 embryo의 부족은 human embryo development의 수수께끼 같은 시기를 연구하기 위해 동물과 줄기세포 embryo 모델에 의존하게 만들었다. NHP는 인간과 진화적으로 유사하기 때문에 인간 embryogenesis를 이해하는 가장 가까운 대체이다. CS8에서 CS11까지 NHP 종의 포괄적인 single-cell transcriptome atlas는 영장류 embryogenesis에 대한 지식 격차를 해소할 뿐만 아니라 embryoid and organoid 모델의 비교 발달 생물학 및 벤치마킹을 위한 embryo 데이터 세트의 수집을 확장한다.
