2024-03-28
单细胞测序技术在分辨率和检测通量方面的不断升级，提高了研究者从异质性样本中分析细胞类型特异性的基因调控网络的能力；但同时细胞的空间位置就如同宇宙中行星的运行轨迹，各司其位各尽其职，对细胞、组织功能具有不可或缺的作用，同时基因表达的位置信息对于理解组织功能和病理变化具有重要的意义。以10× Genomics为代表的空间转录组弥补了单细胞转录组的遗憾，为研究者提供组织中细胞所处的空间信息，及组织中不同区域的细胞构成和基因表达状态，精确定量RNA的时空异质性。根据10× Genomics官网上公布的利用ST（Spatial Transcriptomics）技术进行研究的文献，可以看到该技术目前已经涵盖了肿瘤、发育、疾病等领域，涉及到肿瘤、淋巴、大脑、心脏等各种组织。同时空间转录组技术除了可以应用在常见的哺乳动物，目前也已经可以应用在植物学的研究上。
图1 10× Genomics空间转录组技术涵盖领域和组织
接下来本文将从几个经典研究案例切入，来了解空间转录组的应用领域以及是如何设计如何解决科学问题的。
应用领域——肿瘤
题目：Integrating microarray-based spatial transcriptomics and single-cell RNA-seq reveals tissue architecture in pancreatic ductal adenocarcinomas 发表期刊：NATURE BIOTECHNOLOGY（IF=46.9） 发表时间：2020.1 组学类型：scRNA-seq、ST技术 样本类型：PDAC-A和B肿瘤组织 主要研究思路 在文中，作者对实验分两条线进行设计分析，取两名PDAC患者的2例新鲜PDAC-A和B肿瘤组织，同时进行scRNA-seq和ST的建库测序分析。 scRNA-seq细胞分类： 利用CNV和细胞分类分析以及荧光标记实验证实了PDAC-A包含两种癌症细胞群cluster1(TM4SF1)和cluster2(S100A4)，PDAC-B包含一种癌症细胞群cluster1（TM4SF1）。 ST-seq细胞分群： 依据病理学进行组织分区，计算Spots表达水平进行PCA分类，发现cluster与组织分类是一致的。 MIA算法整合分析： 1.发现在组织空间受限区域中含有特定的细胞类型和特定细胞亚群的富集。 例如，在文中作者发现PDAC-A的成纤维细胞特异性基因与ST分析结果中的特定区域的一组基因具有很强的一致性；除此之外，还发现了导管上皮区域富含导管细胞，胰腺组织区域富含腺泡细胞和分泌细胞。 2.依据MIA结果绘制了不同肿瘤样本微环境的特点、免疫环境状态、应激水平以及细胞之间相互作用的模式，有助于对患者预后进行预判。
应用领域——组织发育
题目：Spatiotemporal transcriptome atlas reveals the regional specification of the developing human brain 发表期刊：Cell（IF=64.5） 发表时间：2023.12 组学类型：scRNA-seq、Stereo-seq空间转录组 样本类型：scRNA-seq--- GW6-GW23的7个发育时间点的不同脑区的人类胚胎、Stereo-seq--- GW6-GW16的5个发育时间点的人类胚胎 主要研究思路 文章首先应用scRNA-seq技术对多个发育时间点以及不同脑区胚胎进行研究，鉴定出多种细胞类型，绘制人脑发育中的动态变化图谱；应用Stereo-seq技术可视化主要细胞类型的空间分布，揭示了发育中人脑不同脑区由不同细胞类型组成的有序分布模式。 为进一步了解神经前体细胞（NPC）的独特功能，将NPC重新细化精致分群聚为5个亚型并可视化不同时期不同脑区的时空分布特点，发现关键细胞类型和关键转录因子。紧接着对谷氨酸能神经元和GABA能神经元进一步精致细分亚型，并且发现这些神经元亚群表现出明显的脑区域异质性和分子多样性。研究同样重建了每个区域特定神经元亚群的时空发育轨迹，帮助更好地理解异质性RG细胞如何对神经元的区域特化做出贡献。研究最后将不同时间、不同脑区的少突胶质细胞前体细胞（OPC）和星形胶质细胞前体细胞（APC）进行亚群细分，并且发现这些亚型存在显著的空间分布偏好，细胞类型的相互作用影响促进神经元区域特化。 题目：A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart 发表期刊：Cell（IF=64.5） 发表时间：2019.12 组学类型：STseq、scRNA-seq、原位测序（in situ sequencing，ISS）技术 样本类型：3个人的孕4.5-5周、6.5周和9周的心脏组织 主要研究思路 文章的研究设计如上图所示，分别取来自3个人的孕4.5-5周、6.5周和9周的心脏组织，采用ST、scRNA和原位测序三种技术手段，从时间、空间两个维度展示了人类心脏发育表达的模式。 ST：组织切片—建库—测序—信息分析（降维聚类，细胞分类） STseq分析：对不同孕期的胚胎心脏切片进行空间转录组技术分析，经过降维聚类，差异表达等分析，最终获得了10个cluster细胞类型，并标注了10个cluster特异性表达的基因。 scRNA-seq：细胞悬液—建库—测序—信息分析（降维聚类，细胞分类） scRNAseq分析：对孕6.5周胚胎心脏分割两部分进行scRNA建库测序分析，经过降维聚类，获得15个cluster细胞类型，鉴定到的细胞类型与先前报道一致。 ISS：获得基因表达的位置信息 ISS分析：利用ISS的亚细胞空间分辨率的特性，运用pciSeq方法创建了一个综合概率，确定scRNA定义的细胞类型的空间细胞图谱，从而实现单细胞分辨率的基因表达时空分析。 最后，结合三种技术进行人类胚胎心脏3D建模，构建了全方位组织基因表达图谱。
应用领域——植物学
题目：Spatial transcriptome analysis on peanut tissues shed light on cell heterogeneity of the peg 发表期刊：PLANT BIOTECHNOLOGY JOURNAL（IF=13.8） 发表时间：2022.9 组学类型：Stereo-seq测序 样本类型：4个花生组织（果针、根、茎和下胚轴） 主要研究思路 通过Stereo-seq 技术对花生4种组织进行比较分析，揭示了花生果针这一特殊组织的细胞异质性，解析了花生果针中的不同细胞类群以及每个细胞类群的空间位置信息，明确了不同组织的细胞类型； 果针中仅在维管束区域（韧皮部和木质部）的细胞类型与根和茎中的维管束区域相似，果针表皮、皮层和髓等部位的细胞类型与茎和根中均不相同，说明果针与茎和根具有较大的发育差异； 功能分析显示，参与糖苷和皂苷的合成的基因在果针尖端的表皮中富集，用以保护果针尖端的胚珠不受地下害虫的侵害；而感知环境信号的基因在果针中后部表皮中富集，给予其能够感知土壤刺激并在地下启动胚胎和果实发育的特点。 题目：An in situ sequencing approach maps PLASTOCHRON1 at the boundary between indeterminate and determinate cells 发表期刊：PLANT PHYSIOLOGY（IF=8.7） 发表时间：2022.2 组学类型：10× Genomics 空间转录组 样本类型：玉米茎尖组织 主要研究思路 利用原位测序技术通过玉米茎尖将组织切片内的90个基因的转录本共定位，由此产生的玉米茎尖空间图谱表明，原位测序技术非常适合同时可视化许多基因的表达模式，并提供有关特定细胞类型中共表达的信息； 在这个案例研究中，研究人员使用空间共表达数据来推断PLASTOCHRON1（PLA1)作为一种基因，它可以起到描绘分生组织中不确定细胞和确定细胞之间界限的作用。
结 语
空间转录组技术的出现,使研究人员能够了解不同转录本的空间位置信息，在构建生长发育细胞的空间图谱、解析复杂神经系统的空间结构等方面取得了显著的分析成果。随着科学研究的深入发展，空间转录组技术和单细胞组学技术相辅相成，成为科学研究中强大的工具，在发育生物学和肿瘤生物学等研究领域得到越来越广泛的应用。
