上海交大Cell子刊发表转录组研究新进展

　　

生物通报道：来自上海交大医学院健康科学研究所干细胞生物重点实验室，中科院上海生命科学研究院的研究人员获得了关于人胚胎早期器官形成过程的转录组研究新进展，这篇题为“Transcriptome analysis of early organogenesis in human embryos ”的文章发布在Cell出版社旗下的《Developmental Cell》杂志上。

领导这一研究的是上海交大医学院健康科学研究所干细胞生物重点实验室金颖和张济，前者早年毕业于中国医科大学，在获得北京协和医科大学/中国医学科学院的博士学位后远赴美国求学，曾在美国北德克萨斯州大学医学中心和德克萨斯大学西南医学中心进行博士后研究工作，2000年回国。

着床后人胚胎发育涵盖了胚胎早期器官形成最关键时期，即从Carnegie Stage 9(胚胎发育第20天，E20)到Carnegie Stage 14(胚胎发育第32天，E32)。从发育形态变化角度，各个器官经历了从无到有的奇妙过程；从发育进化角度，这个奇妙过程高度保守；从发育潜能角度，干性潜能与分化潜能既定时空程序协调性变化。这些背后的分子基础是遗传信息表达精密调控的基因相互作用网络。然而，相比模式生物与体外细胞模型研究，由于受限于人胚胎研究标本以及伦理上的限制，关于人胚胎发育的分子机制知之甚少。

在这篇文章中，研究人员利用临床药物流产胚胎，应用基因芯片对该早期器官胚胎发育6个连续阶段进行基因表达变化谱刻画。通过数据深层次挖掘并整合功能、转录调控、表型及疾病相关的数据库，他们发现整个胚胎形态变化受基因表达谱变化所驱使，主要包括两组基因：呈现逐渐下调变化趋势的基因负责早期器官起始，而逐渐上调变化的基因主要参与器官原基形成。同小鼠发育表达谱以及人胚胎干细胞各种组学数据进行比较分析，进一步发现干性相关基因呈逐渐降低的趋势，而分化相关基因呈现两种表达模式。

在此基础上，研究人员整合蛋白质相互作用信息，挖掘人胚胎早期器官过程中相互作用网络(hORGNet)，由两个细化的与干性相关的模块(hStemModule)和与分化相关的模块(hDiffModule)模块组成，分别表征干性潜能状态变化情况与分化状态。进一步通过小鼠表型富集分析，hStemModule可能与胚胎早期致死相关，而hDiffModule则可能多的是与出生后致死相关。这一研究建立了国际上唯一的人早期器官形成期基因表达的谱式，为探索人类发育早期的分子调控和人多能干细胞体外的定向诱导分化提供的宝贵的信息。

金颖博士研究组今年3月还与芝加哥大学等处的研究人员一道发现了Oct4的新的靶基因Stk40（serine/threonie kinase 40），Oct4是参与调控胚胎干细胞自我更新和维持其全能性的最为重要的转录因子之一，同时也是体外建立诱导多功能干细胞（iPS）的关键基因，因此这一研究对于深入了解胚胎干细胞的自我更新与分化具有重要的意义。这一研究成果公布在《PNAS》杂志上。

研究人员发现了Oct4的新的靶基因Stk40（serine/threonie kinase 40）。他们的研究证明Stk40能够激活Erk/MAPK通路，并能诱导小鼠ES细胞向胚外内胚层（extraembryonic endoderm, ExEn）方向分化。当Stk40高表达的细胞注入小鼠囊胚时，这些细胞能整合并进一步参与嵌合胚胎中胚外内胚层的发育；而Stk40缺失则导致ES 细胞向胚外内胚层方向分化的能力显著降低。

进一步的研究表明，Stk40能够与Rcn2相互作用。Rcn2表达于早期发育中的胚外内胚层区域，并作为重要的调控分子参与Erk/MAPK通路的激活以及胚外内胚层分化。抑制Rcn2的表达，能够阻止Stk40对Erk1/2的激活和ES细胞的分化。这表明，二者相互作用，协同参与了胚外内胚层的分化调控。

这一研究不但发现了胚外内胚层分化的新的调控因子，并进一步将多能性转录因子Oct4与Erk/MAPK信号通路建立起了联系；Oct4通过调控Erk/MAPK信号通路组分的表达水平参与胚外内胚层分化的调控。这为深入理解ES细胞自我更新与分化，以及胚胎早期发育的调控机制提供了新的思路。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Transcriptome Analysis of Early Organogenesis in Human Embryos

Highlights
Genome-wide expression analysis of human embryos from E20 to E32
In this period, genes important for initial organogenesis are gradually repressed
At the same time, genes involved in organ formation are steadily induced
A putative molecular network may describe early human organogenesis
Summary
Genome-wide expression analysis of embryonic development provides information that is useful in a variety of contexts. Here, we report transcriptome profiles of human early embryos covering development during the first third of organogenesis. We identified two major categories of genes, displaying gradually reduced or gradually increased expression patterns across this developmental window. The decreasing group appeared to include stemness-specific and differentiation-specific genes important for the initiation of organogenesis, whereas the increasing group appeared to be largely differentiation related and indicative of diverse organ formation. Based on these findings, we devised a putative molecular network that may provide a framework for the regulation of early human organogenesis. Our results represent a significant step in characterization of early human embryogenesis and provide a resource for understanding human development and for stem cell engineering.

作者简介：

金颖

学习经历

1978-1983 中国医科大学医学学士

1983-1988 北京协和医科大学/中国医学科学院基础医学研究所理学博士

1988-1994 美国北德克萨斯州大学医学中心博士后

1994-1999 美国德克萨斯大学西南医学中心博士后


工作简历

2000-至今 上海交通大学医学院基础医学院研究员、分子发育生物学研究室主任

2001-至今 健康科学研究所干细胞研究课题组组长

2006-至今 中国科学院干细胞生物学重点实验室主任

荣誊(证书,称号,会员)

International Society for Stem Cell Research会员

主要成果

1. 成功地建立起胚胎干细胞水平研究蛋白质和蛋白质-DNA之间相互作用的技术平台。利用亲和纯化及酵母双杂交等技术筛选出多个与胚胎干细胞全能性因子Oct-3/4相互作用的蛋白质，通过质谱分析发现一个新的蛋白因子Wwp2，Wwp2专一性地与Oct-3/4作用，是Oct-4的E3泛素化连接酶。利用染色质免疫沉淀等方法发现并研究了Oct-3/4的新的下游基因及Oct-3/4对基因表达调控的分子机制。

2. 建立正常受精及孤雌激活胚胎来源的小鼠ES细胞系，为体外研究ES细胞增殖分化提供了良好的模型；而孤雌干细胞系又有助于基因组印迹及表观遗传在发育中的作用机制的研究。

3. 建立了人的胚胎干细胞系并实现无滋养层培养和人胚胎干细胞向神经细胞的定向诱导分化。