近日，Developmental Cell 雜誌在線發表了題為Single-cell analysis of human retina identifies evolutionarily conserved and species-specific mechanisms controlling development 的研究論文。該工作通過對16個時間點的人胚胎視網膜和4個發育階段的人視網膜類器官進行高通量單細胞測序，建立了人類視網膜發育的轉錄組資料庫，闡述了視網膜在發育過程中各種細胞類型命運決定以及黃斑形成的分子調控機制，並通過跨物種分析，揭示了人與小鼠的視網膜在發育過程中的進化保守性以及物種特異性。
視覺是人類獲取外界信息的主要方式，其主要通過位於眼球後壁的視網膜將光信號轉換為電信號，最後將信號通過視神經傳遞到大腦。人類視網膜中有一個靈長類特異的區域稱為黃斑區，主要負責明視覺和色覺，任何累及黃斑區的病變都會導致非常明顯的視力喪失。因此，了解人視網膜細胞組成及其發育的分子機制，解析黃斑發育的特徵，對治療先天性視網膜疾病至關重要。
在該研究中，研究人員利用高通量單細胞轉錄組技術對人視網膜類器官、胚胎期到成體期的20個時間點的118555個單細胞進行了測序，分成了126個細胞亞群，並根據已知的細胞類型標記基因將這些亞群注釋為11種細胞類型，並且描繪了視網膜細胞的發育軌跡。同時，利用不同發育階段細胞類型的組成揭示了人視網膜主要細胞類型出現的先後順序以及發生的具體時間。為了進一步探究視網膜細胞命運決定的基因表達調控網絡，研究人員對每一種細胞類型及其相關的視網膜祖細胞進行了擬時間分析，並且找到了相關細胞類型命運決定的調控基因。
此外，為了研究黃斑區域發育的特殊性，研究人員收集了人胚胎期20周和出生後8天的黃斑區和外周區的樣品，通過分析區域差異基因，最終找到了10個與黃斑生成相關的基因，其中CYP26A1可以減低視黃酸的濃度，而低濃度的視黃酸可以促進類似黃斑區域的形成，通過原位雜交實驗證明CYP26A1是在黃斑區的視網膜祖細胞和穆勒細胞中特異性地表達。另一個基因CTGF，是Hippo信號通路的下遊靶基因，也在黃斑區的穆勒細胞中特異性地表達。雖然Hippo通路在早期黃斑區發育過程中的具體作用還有待研究，但是這些結果表明黃斑區特異的視網膜祖細胞以及穆勒膠質細胞對黃斑區的形成至關重要。
該課題由中國科學院生物物理研究所王曉群團隊、中國科學技術大學薛天團隊和國際多家科研單位合作完成。王曉群和薛天，以及Seth Blackshaw、Brian Clark、Rod Bremner是本文的共同通訊作者。生物物理所博士生盧玉峰、中國科大博士生易文洋以及FionShiau為本文共同第一作者。工作的主要參與者還有生物物理所研究員何生、卓彥和副研究員左真濤。該研究得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金等資助。
圖：人視網膜祖細胞命運決定的基因調控網絡和空間表達模式
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