空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）在人類疾病中的潛在應(yīng)用是臨床和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的重要問題之一，包括神經(jīng)學(xué)、胚胎發(fā)育、腫瘤學(xué)和炎癥學(xué)。因此，明確的臨床目標、設(shè)計、采樣程序和方案的優(yōu)化、ST的可重復(fù)性以及分析和解釋的簡化是將ST轉(zhuǎn)換到臨床的關(guān)鍵。

上期為大家?guī)�來�?篇空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在神經(jīng)學(xué)中的應(yīng)用案例，本期推送繼續(xù)為大家?guī)�來空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在病胚胎發(fā)育中的應(yīng)用案例及空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)應(yīng)用的研究思路總結(jié)。

胚胎和干細胞譜系是探索組織模式和相應(yīng)分子調(diào)控回路的范例。帶有scRNA-seq的ST為剖析胚胎發(fā)育過程中細胞組織的分子動力學(xué)、形態(tài)學(xué)和分子特性的差異以及譜系分配開辟了新的途徑。

案例一

人類胚胎心臟細胞類型、細胞類型分布和空間組織的綜合轉(zhuǎn)錄圖譜揭示了4.5-5周、6.5周和9周后的三個發(fā)育階段。使用Seurat進行數(shù)據(jù)處理，三個人類胚胎心臟樣本的ST曲線顯示了人類胚胎心臟發(fā)育過程中約3115個spot和10個心肌亞群。從約69個選定的靶基因中獲得了104個細胞類型、轉(zhuǎn)錄組和人類心臟發(fā)育時空圖譜。心臟胚胎組織的scRNA-seq分析產(chǎn)生了三種類型的心肌細胞、兩種類型的內(nèi)皮細胞和四種類型的成纖維細胞樣細胞。通過結(jié)合ST、scRNA-seq和GO富集分析，它能夠更好地識別組織中每種細胞類型、心臟細胞類型特異性基因和相互作用網(wǎng)絡(luò)的位置分布和基因標記。這樣的人類胚胎心臟圖譜使科學(xué)家能夠充分利用寶貴的資源、細胞間通訊和譜系發(fā)育。

心臟胚胎組織的scRNA-seq分析顯示三種類型的心肌細胞，兩種類型的內(nèi)皮細胞和四種類型的成纖維細胞樣細胞。空間轉(zhuǎn)錄組結(jié)合scRNA-seq揭示了每種細胞類型的位置分布和基因標記。結(jié)合scRNA序列和空間異質(zhì)基因組中的差異表達基因，篩選細胞類型和基因。

心臟細胞類型特異性基因和蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的GO富集分析

案例二

通過使用10×GenomicsVisium和Space Ranger軟件，展示了人類腸道發(fā)育和形態(tài)發(fā)生的時空圖譜。在這項特定的研究中，從代表不同發(fā)育時間點和組織位置的17個胚胎中收集了77個腸道樣本，并根據(jù)關(guān)鍵標記基因的精細聚類注釋在隔室中確定了101個亞群。轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的定位和示例如下圖所示，以突出顯示每種細胞類型的關(guān)鍵調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并使用scRNA-seq重建細胞命運的“決策樹”，包括已知的發(fā)育調(diào)控因子、306個發(fā)育時程和44個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的位置變化。對整個腸道發(fā)育過程中的組織進行ST分析，發(fā)現(xiàn)了scRNA-seq識別亞群的時空位置、上皮隱窩絨毛的形成、間充質(zhì)的分化、肌肉層的建立、血管系統(tǒng)的擴張、免疫定植和腸道相關(guān)淋巴組織的出現(xiàn)。每種類型的細胞都有特定的基因標記，其中一些在基因表達、腸細胞類型特定基因和相互作用網(wǎng)絡(luò)方面存在位置和時間點差異。這項特殊研究的杰出發(fā)現(xiàn)為理解新生兒疾病和腸道發(fā)育的遺傳缺陷提供了新的見解。

以單細胞分辨率對人類腸道發(fā)育進行的時空分析確定了九個腸道分區(qū)，包括上皮細胞、成纖維細胞、內(nèi)皮細胞、周細胞、神經(jīng)細胞、肌層、間皮細胞、肌成纖維細胞和免疫細胞。每種類型的細胞都有特定的基因標記，其中一些在基因表達上存在位置和時間點差異。FABP1在上皮細胞中特異表達，在結(jié)腸中過度表達。HMGA2、MYH11和PHOX2B在結(jié)腸和回腸末端持續(xù)表達。確定腸道細胞特征基因，其在每種細胞類型中表現(xiàn)出特定的關(guān)鍵基因表達。

腸道細胞類型特異性基因和蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的GO富集分析

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)應(yīng)用的工作流程總結(jié)

(a) 空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)主要用于解決疾病的空間異質(zhì)性、生物空間轉(zhuǎn)錄組圖譜和胚胎發(fā)育空間藍圖。四種ST技術(shù)包括微切割基因表達、原位雜交、原位測序和原位捕獲。根據(jù)不同的樣品特征和需要，使用不同的技術(shù)，并使用各種生物工具進行分析。

(b) 腫瘤微環(huán)境模擬圖。ST技術(shù)有助于了解腫瘤細胞的空間位置、基因表達以及微環(huán)境中細胞間的分子通訊。例如，肺組織中的H&E染色提供樣本病理信息和評估樣本質(zhì)量，并進一步整合細胞分組和位置信息分析，如基底細胞、杯狀細胞、纖毛細胞、肺泡上皮細胞1型、2型和其他細胞，以便更好地理解細胞微環(huán)境中的分子通訊機制。

總結(jié)

隨著新ST技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集不斷改進，ST分辨率、靈敏度、吞吐量和可訪問性方面的挑戰(zhàn)正在被克服。ST與石蠟包埋組織相容，提供了對生物庫中采集的樣本進行回顧性分析的可能性。這將有可能系統(tǒng)地檢測各種組織并重建生物體的三維空間結(jié)構(gòu)基因表達。改良的ST將使我們進一步了解生物體的發(fā)育過程，并為臨床醫(yī)學(xué)中的早期疾病檢測和精確的靶向治療提供基礎(chǔ)。ST與多種技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用將需要滿足臨床需求。因此，我們相信，持續(xù)提高ST段分辨率和單細胞分辨率的敏感性將有利于臨床實踐和改善患者預(yù)后。

參考文獻：

[1]   Asp M, Giacomello S, Larsson L,et al. A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of theDeveloping Human Heart. Cell. 2019;179(7):1647-1660.e19.doi:10.1016/j.cell.2019.11.025

[2]   Fawkner-Corbett D,Antanaviciute A, Parikh K, et al. Spatiotemporal analysis of human intestinaldevelopment at single-cell resolution. Cell. 2021;184(3):810-826.e23.doi:10.1016/j.cell.2020.12.016