视网膜是中枢神经系统的一部分,由多种类型的神经元（感光细胞、水平细胞、双极细胞、无长突细胞和视网膜神经节细胞）和胶质细胞组成,负责处理视觉信息。解析人类胚胎视网膜发育过程的分子机制对于视网膜疾病的预防和治疗是极其重要的。目前视网膜发育的研究大部分是基于模式动物,而有关人类胚胎视网膜发生的分子机制研究仍很少。近年来,高通量测序技术的发展为研究者们全面揭示器官的发育过程提供了可能。现有的组学研究已经描绘了人视网膜发育过程的基因表达和组蛋白修饰图谱,然而领域内仍缺乏对于人类胚胎视网膜发育的转录调控机制研究。随着体外分化技术的成熟,视网膜类器官为研究人类胚胎视网膜发育过程提供了新的模型,然而这两种分化发育过程在转录和染色质层面的异同仍未知。此外,基因表达具有时空特异性,构建视网膜细胞的空间表达图谱对于理解人类胚胎视网膜发育过程至关重要。因此本研究利用多组学技术,包括染色质可及性测序技术（ATAC-seq,scATAC-seq）,RNA测序技术（RNA-seq,scRNA-seq）,空间转录组技术（Spatial Transcriptomics）等,并通过整合表观基因组和转录组学数据揭示人类胚胎视网膜发育的时空转录调控机制。本论文的内容主要分为以下两个部分。第一部分工作是利用ATAC-seq研究人类胚胎视网膜发育过程的转录调控机制。本研究收集了不同发育时间点的人类胚胎视网膜和视网膜类器官样品,进行ATAC-seq和RNA-seq建库测序,系统、全面地揭示了人类胚胎视网膜与视网膜类器官在分化发育过程中染色质开放和基因表达的动态变化。研究结果显示视网膜类器官分化过程的染色质开放特征和转录特征与人类胚胎视网膜发育过程极为相似,表明视网膜类器官是研究人类胚胎视网膜分子机制的良好模型。此外,研究发现人类胚胎视网膜发育中期与神经分化相关的染色质区域处于双价修饰状态（H3K27me3和H3K4me3）,而该区域在视网膜类器官中存在延后开放的现象。通过ATAC-seq数据与RNA-seq数据的整合分析,本研究鉴定了两个参与调控人类胚胎视网膜发育的转录因子NFIB和THRA,并利用视网膜类器官进行了功能验证。最后,我们重建了视网膜发育不同时期的转录调控网络。进一步,本研究下载了后续已发表的人类胚胎视网膜发育过程不同时间点的单细胞ATAC-seq数据,描绘了不同视网膜细胞亚群的染色质开放模式,并鉴定了细胞类型特异性的转录调控因子。此外,视网膜组织具有精细的空间结构,不同亚型的细胞在空间上有序排列,形成三个核层和两个突触层。为了研究视网膜细胞的空间发育图谱,在第二部分工作中,我们利用空间转录组技术研究人类胚胎视网膜发育过程中细胞和基因的空间分布模式。然而目前的空间转录组技术存在基因通量小（只能探测到100-1000个RNA分子）或空间分辨率低（每个空间位置点含有多个细胞）的缺陷,使得研究者难以获得单个细胞的完整转录组信息。为了克服空间转录组技术的局限性,研究者开发了许多整合空间转录组和单细胞转录组数据的算法工具,来预测基因或者细胞亚型的空间分布模式。为了选择合适的整合算法对视网膜空间组学数据进行分析,本研究设计了一套标准流程,并收集了 45对真实的空间转录组和单细胞转录组数据集,以及32对模拟数据集,用于比较16种整合算法在预测基因或者细胞空间分布方面的性能。之后,本研究收集了第11周和14周的人类胚胎视网膜样本进行空间转录组测序,并使用预测性能最优的Tangram和Cell2location这两个算法工具对视网膜空间转录组数据进行整合分析。本研究揭示了视网膜发育相关基因及细胞亚型的空间分布模式,并鉴定了多个视网膜空间结构域。最后,本研究通过拟时序分析构建了视网膜细胞的空间分化轨迹。综上所述,该项研究利用生物信息学方法全面揭示了人类胚胎视网膜发育和视网膜类器官分化过程中染色质可及性的动态变化过程;绘制了人类胚胎视网膜发育过程中调节元件和转录因子结合的模式图谱;鉴定了调控人类胚胎视网膜发育的转录因子NFIB和THRA,并利用视网膜类器官进行了功能验证;构建了人类胚胎视网膜发育的转录调控网络;鉴定了细胞类型特异性的染色质开放区域和转录因子结合模式;开发了一套无偏的,系统性的评估流程可用于评估空间转录组和单细胞转录组数据整合算法的性能;揭示了人类胚胎视网膜组织中关键基因和细胞类型的空间分布模式。该研究填补了领域内对人类胚胎视网膜转录调控研究的空缺,为今后研究人类胚胎视网膜发育以及改进视网膜类器官的分化系统提供了重要的研究基础和宝贵的数据资源。