Single-cell lineage analysis reveals extensive multimodal transcriptional control during directed beta-cell differentiation

细胞谱系 生物 计算生物学 细胞分化 BETA(编程语言) 谱系(遗传) 细胞生物学 遗传学 细胞 进化生物学 基因 计算机科学 程序设计语言
作者
Chen Wen-g,Jiajia Xi,Haiyan Li,Jian Cui,Anniya Gu,Sisi Lai,Konstantin Leskov,Luxin Ke,Fulai Jin,Yan Li
出处
期刊:Nature metabolism [Nature Portfolio]
卷期号:2 (12): 1443-1458 被引量:53
标识
DOI:10.1038/s42255-020-00314-2
摘要

The in vitro differentiation of insulin-producing beta-like cells can model aspects of human pancreatic development. Here, we generate 95,308 single-cell transcriptomes and reconstruct a lineage tree of the entire differentiation process from human embryonic stem cells to beta-like cells to study temporally regulated genes during differentiation. We identify so-called ‘switch genes’ at the branch point of endocrine/non-endocrine cell fate choice, revealing insights into the mechanisms of differentiation-promoting reagents, such as NOTCH and ROCKII inhibitors, and providing improved differentiation protocols. Over 20% of all detectable genes are activated multiple times during differentiation, even though their enhancer activation is usually unimodal, indicating extensive gene reuse driven by different enhancers. We also identify a stage-specific enhancer at the TCF7L2 locus for diabetes, uncovered by genome-wide association studies, that drives a transient wave of gene expression in pancreatic progenitors. Finally, we develop a web app to visualize gene expression on the lineage tree, providing a comprehensive single-cell data resource for researchers studying islet biology and diabetes. By using single-cell transcriptomics, Weng et al. reveal complex temporal gene control during pancreatic beta-cell differentiation from human embryonic stem cells, allowing for the construction of a unique lineage tree and optimization of differentiation protocols.
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