在哺乳動物胚胎發(fā)育中，原腸管 (primitive gut tube) 是許多重要器官的前體，包括腸、胃、胰腺、肝、肺、食道、咽部及甲狀腺，因此原腸管的發(fā)育和分化始終是胚胎發(fā)育研究的重點。與將會發(fā)育為間充質(zhì)細(xì)胞的中胚層細(xì)胞 (mesodermal cells) 不同，在原腸管內(nèi)以單層細(xì)胞形式存在的內(nèi)胚層細(xì)胞 (endodermal cells) 將在不同器官中形成功能性上皮細(xì)胞，例如腸中的吸收細(xì)胞，胃中分泌酸的壁細(xì)胞，以及胰腺中的外分泌細(xì)胞等。在小鼠胎齡9.5-13.5天 (E9.5–E13.5) 的器官形成 (organogenesis) 階段，腸管逐漸開始出現(xiàn)具有形態(tài)特征的器官前體。這一過程由中胚層細(xì)胞主導(dǎo)，而內(nèi)胚層在這個階段仍然維持著單層細(xì)胞的形態(tài)。

近年的研究表明，看似相同的內(nèi)胚層細(xì)胞沿前后軸呈現(xiàn)不同的基因表達(dá)模式，甚至在腸管發(fā)育的最早期就表達(dá)部分器官特異性的基因。然而，這種器官特異性的基因轉(zhuǎn)錄活動是如何被調(diào)控的仍不清楚。基于高通量測序的ATAC-seq技術(shù)用于在全基因組層面測定染色質(zhì)的可及性，并且可以識別基因組內(nèi)潛在的調(diào)控區(qū)域和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點。盡管近年來ATAC-seq已經(jīng)被用于研究原腸管的發(fā)育調(diào)控，但研究對象主要聚焦于已有相對明確器官歸屬的E11.5-E16.5原腸管，且尚未達(dá)到單細(xì)胞水平。考慮到器官形成的過程早在E9.5就已開始，早期原腸管單細(xì)胞水平的表觀遺傳圖譜亟待被描繪出來。

2022年5月26日，加拿大多倫多大學(xué) (University of Toronto) Tae-Hee Kim教授和美國弗吉尼亞大學(xué) (University of Virginia) 臧充之教授團(tuán)隊合作在Nature Communications上發(fā)表了題為Single-cell chromatin profiling of the primitive gut tube reveals regulatory dynamics underlying lineage fate decisions的研究論文，應(yīng)用單細(xì)胞水平染色質(zhì)轉(zhuǎn)座酶可及性高通量測序技術(shù) (scATAC-seq)，首次發(fā)布了在單細(xì)胞水平描繪小鼠胚胎原腸管發(fā)育早期的染色質(zhì)可及性表觀基因組圖譜，并結(jié)合不同發(fā)育階段的表觀組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，描繪了整個腸管發(fā)育過程中表觀基因組變化的綜合圖景。此外，作者還在小鼠模型上實驗驗證了關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子異常表達(dá)對器官分化及細(xì)胞譜系命運決定 (lineage fate decision) 的影響。

作者通過對1.2萬余個來自小鼠E9.5胚胎原腸管的單細(xì)胞scATAC-seq數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類型特異的染色質(zhì)開放區(qū)域富集在一些已知的器官分化標(biāo)記基因附近，例如Sox2, Cdx2, Pdx1和 Nkx2-1等。結(jié)合基因本體 (gene ontology) 等分析，作者發(fā)現(xiàn)，在原腸管發(fā)育的早期，細(xì)胞的染色質(zhì)狀態(tài)便已預(yù)示了該細(xì)胞未來的命運。通過涵蓋四個主要器官（肺、胃、胰腺、腸）數(shù)據(jù)的跨器官對比和時序分析，作者繼續(xù)深入研究了不同器官的調(diào)控機(jī)制。作者的研究表明，腸管中的每個器官都采用一套獨特的調(diào)控機(jī)制來推動其發(fā)育。在每個器官中，隨著發(fā)育的進(jìn)行，主導(dǎo)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子也發(fā)生動態(tài)變化。

接下來，作者針對SOX2 和 CDX2這兩個對腸管上皮細(xì)胞的成熟和分化至關(guān)重要的轉(zhuǎn)錄因子展開研究。通過比較Sox2或Cdx2基因敲除后染色質(zhì)狀態(tài)相較于對照組的變化，結(jié)合不同器官特有的染色質(zhì)可及性模式，作者發(fā)現(xiàn)敲除關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子會直接轉(zhuǎn)變細(xì)胞譜系的命運決定。例如，敲除Sox2基因后，胃上皮細(xì)胞的染色質(zhì)表觀組狀態(tài)將向鄰近器官（如肺）的染色質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變；而敲除Cdx2基因會使得腸上皮細(xì)胞的染色質(zhì)狀態(tài)向前腸 (foregut) 的染色質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

作者進(jìn)一步運用免疫熒光技術(shù)，在小鼠模型上驗證了Sox2異常表達(dá)對胰腺和腸上皮細(xì)胞命運決定以及器官形成的嚴(yán)重干擾，并發(fā)現(xiàn)Sox2在胰腺中的異常高表達(dá)會引發(fā)成年小鼠胰腺出現(xiàn)與癌癥相似的形態(tài)變化。

這些發(fā)現(xiàn)填補了過去研究者對胚胎發(fā)育早期的原腸管內(nèi)胚層細(xì)胞染色質(zhì)狀態(tài)認(rèn)識的空白，全面描繪了在腸管發(fā)育過程中染色質(zhì)狀態(tài)與轉(zhuǎn)錄因子對基因表達(dá)調(diào)控的協(xié)同參與，對理解胰腺癌等腫瘤的發(fā)生和發(fā)展具有啟發(fā)性的作用。