2024-03-28
單細胞(bao)(bao)(bao)測序(xu)技術在分(fen)辨率和檢測通(tong)量方面的(de)不(bu)斷(duan)升(sheng)級，提(ti)高了(le)(le)研究(jiu)(jiu)者從異質(zhi)性(xing)(xing)樣本中(zhong)分(fen)析細胞(bao)(bao)(bao)類型特異性(xing)(xing)的(de)基因調控網絡的(de)能力；但(dan)同時細胞(bao)(bao)(bao)的(de)空(kong)(kong)間(jian)位置就如同宇宙中(zhong)行(xing)星的(de)運(yun)行(xing)軌(gui)跡，各(ge)(ge)司其位各(ge)(ge)盡其職(zhi)，對細胞(bao)(bao)(bao)、組(zu)(zu)織(zhi)功能具有(you)不(bu)可(ke)(ke)或(huo)缺的(de)作用，同時基因表(biao)達(da)(da)的(de)位置信息(xi)對于理解組(zu)(zu)織(zhi)功能和病(bing)理變化具有(you)重要的(de)意義。以(yi)10× Genomics為代表(biao)的(de)空(kong)(kong)間(jian)轉(zhuan)錄(lu)組(zu)(zu)彌補了(le)(le)單細胞(bao)(bao)(bao)轉(zhuan)錄(lu)組(zu)(zu)的(de)遺(yi)憾，為研究(jiu)(jiu)者提(ti)供組(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)細胞(bao)(bao)(bao)所處的(de)空(kong)(kong)間(jian)信息(xi)，及組(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)不(bu)同區域(yu)的(de)細胞(bao)(bao)(bao)構成和基因表(biao)達(da)(da)狀態，精(jing)確定(ding)量RNA的(de)時空(kong)(kong)異質(zhi)性(xing)(xing)。根據10× Genomics官網上公(gong)布的(de)利用ST（Spatial Transcriptomics）技術進行(xing)研究(jiu)(jiu)的(de)文獻，可(ke)(ke)以(yi)看到該技術目前已經(jing)涵蓋了(le)(le)腫瘤、發育、疾病(bing)等領域(yu)，涉及到腫瘤、淋巴(ba)、大腦(nao)、心臟等各(ge)(ge)種(zhong)組(zu)(zu)織(zhi)。同時空(kong)(kong)間(jian)轉(zhuan)錄(lu)組(zu)(zu)技術除了(le)(le)可(ke)(ke)以(yi)應用在常(chang)見的(de)哺乳動物，目前也已經(jing)可(ke)(ke)以(yi)應用在植(zhi)物學(xue)的(de)研究(jiu)(jiu)上。
圖(tu)1 10× Genomics空間轉錄組(zu)技術涵蓋領域和組(zu)織
接下來(lai)本文(wen)將從幾個經典研究案例切入，來(lai)了解空間(jian)轉錄(lu)組的應用領域以及是如何設(she)計如何解決科學問(wen)題(ti)的。
應用(yong)領域(yu)——腫瘤(liu)
題目：Integrating microarray-based spatial transcriptomics and single-cell RNA-seq reveals tissue architecture in pancreatic ductal adenocarcinomas 發表期刊：NATURE BIOTECHNOLOGY（IF=46.9） 發(fa)表時(shi)間(jian)：2020.1 組學類型：scRNA-seq、ST技術 樣(yang)本類(lei)型：PDAC-A和B腫(zhong)瘤(liu)組(zu)織 主(zhu)要研究思路 在文中，作者對實驗分(fen)兩條(tiao)線進行設計分(fen)析，取兩名(ming)PDAC患者的2例新(xin)鮮PDAC-A和(he)B腫瘤組織，同時進行scRNA-seq和(he)ST的建庫測序分(fen)析。 scRNA-seq細胞分類： 利(li)用CNV和細(xi)胞(bao)分類分析以(yi)及熒光標記(ji)實(shi)驗證(zheng)實(shi)了PDAC-A包含兩(liang)種(zhong)癌(ai)癥(zheng)細(xi)胞(bao)群(qun)cluster1(TM4SF1)和cluster2(S100A4)，PDAC-B包含一(yi)種(zhong)癌(ai)癥(zheng)細(xi)胞(bao)群(qun)cluster1（TM4SF1）。 ST-seq細胞分群： 依據病理學進(jin)(jin)行組織分(fen)區，計算Spots表達水平進(jin)(jin)行PCA分(fen)類，發現cluster與組織分(fen)類是一致的。 MIA算法整合分析： 1.發現在組織空間受(shou)限區域(yu)中含有(you)特(te)定的細胞(bao)類型和特(te)定細胞(bao)亞群的富集。 例如，在文中(zhong)作者發(fa)現PDAC-A的(de)(de)成纖(xian)維細(xi)胞特異(yi)性(xing)基(ji)因(yin)(yin)與(yu)ST分析結果中(zhong)的(de)(de)特定區(qu)域(yu)的(de)(de)一(yi)組(zu)基(ji)因(yin)(yin)具有(you)很強的(de)(de)一(yi)致性(xing)；除此之外(wai)，還發(fa)現了導管上皮區(qu)域(yu)富含導管細(xi)胞，胰(yi)腺組(zu)織區(qu)域(yu)富含腺泡(pao)細(xi)胞和(he)分泌(mi)細(xi)胞。 2.依據(ju)MIA結果繪制了不(bu)同腫瘤樣本(ben)微環(huan)境的(de)特點、免(mian)疫環(huan)境狀態、應激(ji)水(shui)平以及(ji)細胞之間相互作(zuo)用的(de)模式，有助(zhu)于對患者預后進行預判。
應用領域——組織(zhi)發(fa)育
題目：Spatiotemporal transcriptome atlas reveals the regional specification of the developing human brain 發表期刊：Cell（IF=64.5） 發表時間(jian)：2023.12 組學類型：scRNA-seq、Stereo-seq空間轉錄組 樣本類型：scRNA-seq--- GW6-GW23的(de)7個發育時間點的(de)不同腦區的(de)人(ren)類胚胎(tai)、Stereo-seq--- GW6-GW16的(de)5個發育時間點的(de)人(ren)類胚胎(tai) 主要研究(jiu)思路 文章首先應用scRNA-seq技術對多個發育時間點(dian)以(yi)及不同(tong)腦區胚(pei)胎(tai)進行研究(jiu)，鑒(jian)定出多種細(xi)(xi)胞(bao)類(lei)型(xing)，繪制人(ren)腦發育中的(de)(de)動(dong)態變化圖(tu)譜；應用Stereo-seq技術可視化主要(yao)細(xi)(xi)胞(bao)類(lei)型(xing)的(de)(de)空間分布，揭示了發育中人(ren)腦不同(tong)腦區由不同(tong)細(xi)(xi)胞(bao)類(lei)型(xing)組成的(de)(de)有(you)序分布模式。 為(wei)進(jin)一(yi)步了(le)解神(shen)經(jing)前(qian)體細(xi)(xi)胞(bao)（NPC）的(de)(de)獨特(te)功能(neng)，將NPC重(zhong)新(xin)細(xi)(xi)化(hua)(hua)精致(zhi)分(fen)群聚(ju)為(wei)5個亞(ya)型(xing)(xing)并(bing)可(ke)視化(hua)(hua)不(bu)同(tong)(tong)時期不(bu)同(tong)(tong)腦區(qu)的(de)(de)時空(kong)分(fen)布特(te)點(dian)，發(fa)現關鍵(jian)細(xi)(xi)胞(bao)類型(xing)(xing)和(he)(he)關鍵(jian)轉錄因子。緊接著(zhu)對谷氨(an)酸能(neng)神(shen)經(jing)元(yuan)(yuan)和(he)(he)GABA能(neng)神(shen)經(jing)元(yuan)(yuan)進(jin)一(yi)步精致(zhi)細(xi)(xi)分(fen)亞(ya)型(xing)(xing)，并(bing)且發(fa)現這些神(shen)經(jing)元(yuan)(yuan)亞(ya)群表現出明顯的(de)(de)腦區(qu)域異(yi)質(zhi)(zhi)性(xing)和(he)(he)分(fen)子多樣(yang)性(xing)。研(yan)究同(tong)(tong)樣(yang)重(zhong)建了(le)每個區(qu)域特(te)定神(shen)經(jing)元(yuan)(yuan)亞(ya)群的(de)(de)時空(kong)發(fa)育軌跡(ji)，幫助(zhu)更好地理解異(yi)質(zhi)(zhi)性(xing)RG細(xi)(xi)胞(bao)如何對神(shen)經(jing)元(yuan)(yuan)的(de)(de)區(qu)域特(te)化(hua)(hua)做(zuo)出貢獻。研(yan)究最后將不(bu)同(tong)(tong)時間、不(bu)同(tong)(tong)腦區(qu)的(de)(de)少(shao)突膠(jiao)質(zhi)(zhi)細(xi)(xi)胞(bao)前(qian)體細(xi)(xi)胞(bao)（OPC）和(he)(he)星形膠(jiao)質(zhi)(zhi)細(xi)(xi)胞(bao)前(qian)體細(xi)(xi)胞(bao)（APC）進(jin)行亞(ya)群細(xi)(xi)分(fen)，并(bing)且發(fa)現這些亞(ya)型(xing)(xing)存在顯著(zhu)的(de)(de)空(kong)間分(fen)布偏(pian)好，細(xi)(xi)胞(bao)類型(xing)(xing)的(de)(de)相互作用影響促進(jin)神(shen)經(jing)元(yuan)(yuan)區(qu)域特(te)化(hua)(hua)。 題目(mu)：A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart 發表期刊：Cell（IF=64.5） 發表時間：2019.12 組(zu)學類型：STseq、scRNA-seq、原位測(ce)序(xu)（in situ sequencing，ISS）技術 樣本類型(xing)：3個人的孕4.5-5周、6.5周和9周的心臟(zang)組織 主要研(yan)究(jiu)思路 文章的(de)(de)研究設計如上圖所(suo)示(shi)，分(fen)別取來(lai)自3個(ge)人的(de)(de)孕(yun)4.5-5周(zhou)、6.5周(zhou)和9周(zhou)的(de)(de)心臟組織，采用ST、scRNA和原位測序三(san)種技術(shu)手段，從時間、空間兩個(ge)維度展示(shi)了人類心臟發育(yu)表達的(de)(de)模式。 ST：組織(zhi)切片—建(jian)庫—測(ce)序—信息分(fen)析（降維聚類，細胞分(fen)類） STseq分(fen)析：對不同孕(yun)期的胚胎心臟切片進(jin)行空(kong)間(jian)轉錄組技(ji)術分(fen)析，經過降維聚類(lei)，差異表達(da)(da)等分(fen)析，最終獲得了(le)10個(ge)(ge)cluster細(xi)胞類(lei)型，并標注了(le)10個(ge)(ge)cluster特(te)異性表達(da)(da)的基(ji)因。 scRNA-seq：細(xi)胞懸液—建庫—測序—信息分(fen)析（降(jiang)維聚類，細(xi)胞分(fen)類） scRNAseq分(fen)(fen)析：對孕6.5周胚胎心臟分(fen)(fen)割兩部分(fen)(fen)進行scRNA建(jian)庫測序分(fen)(fen)析，經過降維聚類，獲(huo)得15個cluster細胞(bao)類型(xing)，鑒定(ding)到的細胞(bao)類型(xing)與先前報(bao)道一致。 ISS：獲得(de)基因表達(da)的(de)位(wei)置(zhi)信息 ISS分(fen)析(xi)：利用ISS的(de)亞細(xi)胞(bao)(bao)(bao)空間(jian)分(fen)辨率的(de)特(te)性，運用pciSeq方法創建了一個綜合概率，確定scRNA定義的(de)細(xi)胞(bao)(bao)(bao)類型的(de)空間(jian)細(xi)胞(bao)(bao)(bao)圖譜，從而實現單細(xi)胞(bao)(bao)(bao)分(fen)辨率的(de)基因(yin)表達時空分(fen)析(xi)。 最后，結合三種技(ji)術進行人(ren)類胚胎心(xin)臟3D建模，構建了全方位組織基因(yin)表達圖譜(pu)。
應用領域——植物學(xue)
題目：Spatial transcriptome analysis on peanut tissues shed light on cell heterogeneity of the peg 發(fa)表(biao)期刊：PLANT BIOTECHNOLOGY JOURNAL（IF=13.8） 發表時間：2022.9 組學類型(xing)：Stereo-seq測序(xu) 樣本類型：4個(ge)花生組織（果針、根、莖和下胚軸） 主要研究(jiu)思路 通(tong)過Stereo-seq 技術對花生4種組織進行比較分析，揭示了(le)花生果針這一特(te)殊組織的細(xi)胞(bao)(bao)(bao)異(yi)質(zhi)性，解析了(le)花生果針中的不同細(xi)胞(bao)(bao)(bao)類群(qun)以及每(mei)個細(xi)胞(bao)(bao)(bao)類群(qun)的空間位置信息(xi)，明確(que)了(le)不同組織的細(xi)胞(bao)(bao)(bao)類型； 果(guo)針中(zhong)僅在維(wei)管(guan)束區域(yu)（韌皮(pi)部(bu)和木質部(bu)）的細(xi)胞類型與根(gen)和莖(jing)中(zhong)的維(wei)管(guan)束區域(yu)相似，果(guo)針表皮(pi)、皮(pi)層和髓等部(bu)位的細(xi)胞類型與莖(jing)和根(gen)中(zhong)均不相同，說(shuo)明(ming)果(guo)針與莖(jing)和根(gen)具有較大的發育(yu)差(cha)異； 功能(neng)分(fen)析(xi)顯示(shi)，參(can)與糖苷和(he)皂(zao)苷的(de)(de)合成的(de)(de)基因(yin)(yin)在(zai)果(guo)(guo)針尖(jian)端(duan)的(de)(de)表皮中(zhong)富集(ji)，用以保護(hu)果(guo)(guo)針尖(jian)端(duan)的(de)(de)胚珠(zhu)不受地下害蟲的(de)(de)侵(qin)害；而感知環境(jing)信號(hao)的(de)(de)基因(yin)(yin)在(zai)果(guo)(guo)針中(zhong)后部表皮中(zhong)富集(ji)，給予其能(neng)夠(gou)感知土壤刺激(ji)并在(zai)地下啟動胚胎和(he)果(guo)(guo)實發育的(de)(de)特(te)點(dian)。 題目：An in situ sequencing approach maps PLASTOCHRON1 at the boundary between indeterminate and determinate cells 發表期(qi)刊：PLANT PHYSIOLOGY（IF=8.7） 發(fa)表時間：2022.2 組學類型：10× Genomics 空間(jian)轉錄(lu)組 樣本類型：玉米莖尖組織 主要研(yan)究思路 利用原(yuan)(yuan)位測(ce)序技術(shu)通過玉米(mi)莖(jing)尖將組(zu)織切片內的(de)90個基因的(de)轉錄(lu)本共定位，由此產生的(de)玉米(mi)莖(jing)尖空(kong)間圖譜表(biao)明，原(yuan)(yuan)位測(ce)序技術(shu)非(fei)常(chang)適合同時可視(shi)化許多基因的(de)表(biao)達模式，并提供有關特定細胞(bao)類(lei)型中(zhong)共表(biao)達的(de)信(xin)息； 在這個案例研究(jiu)中，研究(jiu)人員使用空間共表達數據(ju)來推斷PLASTOCHRON1（PLA1)作為(wei)一種基因(yin)，它可以起到描(miao)繪分生組織中不(bu)確(que)定細胞和(he)確(que)定細胞之(zhi)間界限的作用。
結 語
空(kong)間(jian)轉錄(lu)組(zu)(zu)技(ji)術的(de)(de)出(chu)現(xian),使研究人員能夠(gou)了解(jie)不同轉錄(lu)本的(de)(de)空(kong)間(jian)位置信(xin)息，在(zai)構建生(sheng)長發育(yu)細(xi)胞的(de)(de)空(kong)間(jian)圖譜、解(jie)析復雜神經系統的(de)(de)空(kong)間(jian)結構等方面(mian)取(qu)得了顯著(zhu)的(de)(de)分析成果(guo)。隨著(zhu)科學(xue)研究的(de)(de)深入發展，空(kong)間(jian)轉錄(lu)組(zu)(zu)技(ji)術和單細(xi)胞組(zu)(zu)學(xue)技(ji)術相(xiang)輔(fu)相(xiang)成，成為科學(xue)研究中強大(da)的(de)(de)工具，在(zai)發育(yu)生(sheng)物學(xue)和腫瘤(liu)生(sheng)物學(xue)等研究領域(yu)得到(dao)越來越廣泛(fan)的(de)(de)應用。
