摘要
早期胚胎发育是个体发育过程中的一个重要阶段，这个阶段涉及了很多重要的基因表达调控，细胞命运的分化以及组织的形成。具体来说，涉及到母本和父本基因组的重编程;胚胎从母源因子控制状态转换为合子基因组控制状态;全基因组的DNA甲基化调控;细胞命运的不断分化以及组织细胞的形成。虽然该时期的变化比较剧烈，但是却受到了一系列精确的分子调控。因此，早期胚胎发育过程已经成为了一个非常好的研究转录组、表观遗传组、细胞命运分化以及组织细胞形成的模型。 恒河猴和人类在基因组和生理上有很高的相似性，所以一直以来，它都被作为一个典型的研究人类生理和疾病的模型。同时由于人类的早期胚胎研究会引起伦理学问题，因此，系统的研究恒河猴早期胚胎发育过程并评估它作为研究人类模型的可靠性是非常有必要的。在本文中，我们分别通过单胚胎和单细胞RNA—sea测序探索在该早期胚胎发育过程中恒河猴转录组的动态变化，同时也比较了恒河猴，人类和小鼠胚胎发育过程中的异同点。 在本论文中，我们首先关注在了恒河猴单胚胎测序数据的挖掘，进而和人类以及小鼠的数据比较。首先，我们发现恒河猴和人类的转录组相比于小鼠有更多的相似点。其次，我们发现在母源基因中，有一类基因会受到3’末端polyA长短的调控，以此来实现转录本时期特异性的翻译。我们也用实验验证了我们的发现。最后，我们通过比较人类，恒河猴和小鼠的网络调控模块，发现灵长类的胚胎的DNA损伤修复能力相比于小鼠来说更弱，尤其是在同源重组修复介导的DNA修复的通路上。进一步的实验也验证了我们的上述发现。 进一步的，通过恒河猴单细胞转录组测序数据，我们系统的研究了恒河猴第一和第二次命运分化。首先，我们构建了恒河猴细胞谱系分化路径。该路径很好的反映了滋养外胚层，原始内胚层和上胚层的分化。基于上述构建的分化路径，我们发现三个谱系几乎同时在早期囊胚成熟，但是滋养外胚层分化出来的时间点稍早于原始内胚层。所以进一步的，我们分别研究了滋养外胚层和内细胞团的分化，以及原始内胚层和上胚层的分化，并鉴定出来了每一个谱系的特异基因以及富集的功能信息。最后，基于我们的单细胞转录组数据，我们系统的研究了发育过程中多能性的变化。Na?ve状态是小鼠着床前上胚层所处的状态，而在着床之后，上胚层会迅速转换到Primed状态。但是人们依然不清楚Na?ve状态是否存在于灵长类着床前胚胎中。所以基于我们的单细胞数据，我们发现在恒河猴着床前的胚胎中，已经存在有两种不同的干性状态。在早期囊胚和中期囊胚阶段，上胚层细胞呈现Na?ve干性的特点;但是在晚期囊胚和孵化囊胚，上胚层细胞呈现Primed干性的特点。由于转座子也是一种鉴定Na?ve和Primed状态的重要标记，所以我们也探究了在干性转换过程中转座子的表达是否有差异。同样的，我们也发现早期和中期囊胚表达Na?ve标记的转座子，而晚期和孵化囊胚时期的胚胎表达Primed的标记转座子。所以我们的结果表明在恒河猴着床前上胚层细胞就已经有了从Na?ve到Primed状态的转换。这也解释了灵长类Na?ve状态的干细胞难以从着床前胚胎获取的原因。 最后，在斑马鱼早期胚胎发育过程中造血干细胞发育的探究中，我们分别取了时间序列RNA-seq，保留有样本空间位置信息的GEO-seq和单细胞RNA-seq，用以探索尾部造血组织caudal hematopoietic tissue(CHT)中微环境细胞和造血干细胞(hematopoietic stem cells，HSCs)的相互作用。首先我们鉴定了一批调控HSCs扩增的内在因子及外源信号通路，并验证了ctgfa-itgb2之间的互做调控了HSCs的扩增过程。通过保留样本空间位置信息的GEO-seq测序，我们在转录组层面重构了CHT这一重要的造血组织，证明了微环境中的细胞和HSCs之间的互做对于造血器官的形成是必需的。最后基于单细胞RNA-seq，我们重构了CHT区域中HSCs的谱系分化路线。我们相信这些综合的数据将成为CHT区域的HSCs研究提供很好的资源。这种多维转录组分析策略也为与其他组织甚至整个生物体水平的研究提供了可借鉴的研究思路。
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