我國科學(xué)家日前在學(xué)術(shù)期刊《自然—細胞生物學(xué)》（Nature Cell Biology）在線發(fā)表研究論文，在國際上首次從單細胞分辨率和全轉(zhuǎn)錄組水平，全面、系統(tǒng)、深入地闡明了食道、胃、小腸和大腸這4種器官在人類胚胎發(fā)育過程中的基因表達圖譜及其信號調(diào)控機制，揭示了這4種器官不同細胞類型之間的精準發(fā)育路徑和基因表達特征，并進一步詳細解析了大腸從胎兒到成人的發(fā)育、成熟路徑和關(guān)鍵生物學(xué)特征。這是我國科學(xué)家首次系統(tǒng)揭示人類消化道發(fā)育細胞圖譜。

消化系統(tǒng)是人體中最重要的器官系統(tǒng)之一，而消化道作為消化系統(tǒng)最重要的組成部分，在食物消化、營養(yǎng)吸收、廢物排泄、抵抗微生物入侵等多個方面起著極其重要的作用。消化道主要由食道、胃、小腸、大腸組成。揭示這4種器官在人類胚胎發(fā)育過程中的基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及細胞類型圖譜是發(fā)育生物學(xué)的重大課題。據(jù)介紹，本研究首先分離并獲取了人類6到25周胚胎中食道、胃、小腸和大腸以及成年人的大腸總計5277個單細胞，并對其進行高精度的單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，獲得了多達5T的基因表達譜數(shù)據(jù)。研究團隊進行深度數(shù)據(jù)挖掘，對這4種器官的發(fā)育進程在基因表達調(diào)控層面進行了深入解析。

首先，研究團隊通過關(guān)鍵基因表達特征定義了這4種器官共40種不同的重要細胞類型，其中在人類胚胎發(fā)育階段鑒定出30種不同的細胞類型。通過對這30種細胞類型的關(guān)鍵生物學(xué)特征分析后發(fā)現(xiàn)，其中具有干、祖細胞特征的細胞類型有19種，在胚胎發(fā)育的較早期就已經(jīng)出現(xiàn)并且貫穿于整個胚胎發(fā)育時期，其細胞周期也呈現(xiàn)出活躍分裂增殖的特點。另一方面，分析顯示，胚胎早期消化道4種不同器官的細胞具有高度相似的基因表達特點，而胚胎晚期這4種不同器官的細胞基因表達差異非常明顯，顯示這些細胞類型功能成熟后基因表達的高度器官特異性和細胞類型特異性。同時，小腸同其他3種消化道器官相比，營養(yǎng)吸收代謝的關(guān)鍵基因在胚胎晚期被大規(guī)模同步激活，說明處于胚胎晚期的小腸可能已經(jīng)具備了基本的營養(yǎng)吸收功能。這也說明隨著胚胎發(fā)育的進行，4種器官在功能上的差異性也逐漸展現(xiàn)出來。

這項研究成果由北京大學(xué)北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、北京大學(xué)生物動態(tài)光學(xué)成像中心、北京大學(xué)—清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心湯富酬課題組、北京國際數(shù)學(xué)研究中心葛顥課題組，攜手北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰課題組聯(lián)合獲得。研究發(fā)現(xiàn)為消化道生物學(xué)研究領(lǐng)域提供了全面翔實的發(fā)育細胞圖譜數(shù)據(jù)，具有重大參考價值。此外，對于這4種消化道器官相關(guān)的癌癥，特別是胃癌和結(jié)直腸癌的致病機理研究，此項研究結(jié)果也在基因表達層面上提供了重要參考。