2022-02-11
2021年(nian)也已過去，空(kong)(kong)間(jian)(jian)(jian)轉(zhuan)(zhuan)錄(lu)組(zu)(zu)又陪(pei)伴我們走過了一年(nian)，這項2020年(nian)的年(nian)度技術，在(zai)生物(wu)組(zu)(zu)織研究(jiu)的各(ge)個領域都有了廣(guang)泛(fan)的運用，也提供了很多生物(wu)學研究(jiu)的新(xin)角度，其中包括空(kong)(kong)間(jian)(jian)(jian)細(xi)(xi)胞網絡(luo)、空(kong)(kong)間(jian)(jian)(jian)軌跡、空(kong)(kong)間(jian)(jian)(jian)共表達模塊等等，無論對于單(dan)細(xi)(xi)胞還是(shi)空(kong)(kong)間(jian)(jian)(jian)轉(zhuan)(zhuan)錄(lu)組(zu)(zu)，細(xi)(xi)胞之間(jian)(jian)(jian)的相互作用是(shi)繞不(bu)開(kai)的話題(ti)，組(zu)(zu)織是(shi)一個統一體(ti)，細(xi)(xi)胞之間(jian)(jian)(jian)不(bu)可能割裂的存在(zai)，而是(shi)存在(zai)廣(guang)泛(fan)的相互交流(liu)，來(lai)維(wei)持組(zu)(zu)織的正常生物(wu)學功能。
單細(xi)(xi)胞(bao)研究(jiu)細(xi)(xi)胞(bao)通訊已經有了(le)廣(guang)泛的(de)(de)案例，但是(shi)在(zai)(zai)缺(que)少空(kong)間(jian)位置的(de)(de)情況(kuang)下，尤(you)其在(zai)(zai)多樣本整(zheng)合分析的(de)(de)時(shi)候，忽略了(le)細(xi)(xi)胞(bao)之間(jian)距離遠近和個(ge)體的(de)(de)影響(xiang)，與(yu)此同時(shi)，越來越多的(de)(de)研究(jiu)表明(ming)，細(xi)(xi)胞(bao)之間(jian)的(de)(de)相互作用很可能僅限(xian)于(yu)最近鄰(lin)，在(zai)(zai)空(kong)間(jian)轉(zhuan)錄組的(de)(de)分析上(shang)，也明(ming)顯(xian)發(fa)現，每(mei)個(ge)細(xi)(xi)胞(bao)類型都(dou)顯(xian)示一個(ge)相對恒定的(de)(de)生態位特(te)征。
基于此，很多研究人員開發了針對空間鄰域通訊分析的分析軟件，時下引用最多的單細胞通訊分析軟件---CellphoneDB[1]，也已升級到3.0版本，專門開發了針對空間生態的分析模塊，我們來一探究竟。
CellphoneDB（V3.0）的創新點 1、合并空(kong)間信息(xi) ，CellPhoneDB 現在允許通過微環境文件合并細胞的空間信息。這是一個兩列文件，指示哪種細胞類型在哪個空間微環境中（參見示例見下表）。CellphoneDB 將使用此信息來定義可能的交互細胞對（即在微環境中共享/共存的clusters）。可以使用 cell2location[2] 定義具有先驗知識、成像或 Visium 分析的微環境。 表1 空間轉錄(lu)組(zu)細胞微環境 2、添(tian)加了新(xin)的(de)分析(xi)方法 使用差異表達(da)基(ji)因(yin) (DEG) 而不是(shi) random shuffling（cellphonedb 方(fang)法 degs_analysis）。這(zhe)種方(fang)法將(jiang)(jiang)選擇所(suo)有基(ji)因(yin)都(dou)由(you)高于閾(yu)值的一小部(bu)分細(xi)胞表達(da)并且至少(shao)一個基(ji)因(yin)是(shi) DEG 的相(xiang)互作用。可(ke)以使用自定義的工(gong)具識別 DEG，并通過(guo)文本文件將(jiang)(jiang)信息提(ti)供給 CellphoneDB。第(di)一列(lie)應該(gai)是(shi)細(xi)胞類型/cluster，第(di)二列(lie)應該(gai)是(shi)相(xiang)關(guan)的基(ji)因(yin) id。其(qi)余列(lie)將(jiang)(jiang)被忽略（參見示例見下表）。 表2 差異基因分析結果 3、Database update WNT pathway has been further curated. CellPhoneDB 考(kao)慮(lv)了大(da)多數配體和受體的多聚體組(zu)成，這(zhe)與(yu) WNT 信號傳導的復雜調(diao)控高度相關 圖1 CellphoneDB擴展了數據庫 CellphoneDB（V3.0）的運用案例 目前CellphoneDB（V3.0）已經得到了(le)很(hen)好的運(yun)用，我們參考最(zui)新發表(biao)(biao)(biao)(biao)的文(wen)章Mapping the temporal and spatial dynamics of the human endometrium in vivo and in vitro[3]，2021年12月份發表(biao)(biao)(biao)(biao)于(yu)(yu)Nature Genetics，IF 38.330，文(wen)中為了(le)研究細胞(bao)在(zai)管(guan)(guan)腔(qiang)和腺(xian)(xian)(xian)體(ti)(ti)間(jian)(jian)的相(xiang)互作用，首先運(yun)用10X 空間(jian)(jian)轉錄組對組織區(qu)(qu)域進行(xing)分層(ceng)聚類，發現WNT 和 NOTCH 信號(hao)(hao)通路(lu)的特(te)征存在(zai)于(yu)(yu)不同的子(zi)宮內(nei)膜區(qu)(qu)域。參與 WNT 通路(lu)的基因 FOXJ1 和 LGR5 在(zai)管(guan)(guan)腔(qiang)表(biao)(biao)(biao)(biao)面高度表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da)(da)，而 NOTCH2在(zai)功(gong)能層(ceng)的腺(xian)(xian)(xian)體(ti)(ti)中顯著富(fu)集。為了(le)驗證上述結果，使用 smFISH 探針對目標信號(hao)(hao)基因進行(xing)染色，從而量化信號(hao)(hao)基因的表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da)(da)與管(guan)(guan)腔(qiang)的距離(li)，結果發現，與腺(xian)(xian)(xian)體(ti)(ti)相(xiang)比，NOTCH2 表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da)(da)在(zai)遠離(li)管(guan)(guan)腔(qiang)的腺(xian)(xian)(xian)體(ti)(ti)中增加(jia)，而 WNT7A 在(zai)管(guan)(guan)腔(qiang)上皮中的表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da)(da)高于(yu)(yu)腺(xian)(xian)(xian)體(ti)(ti)。相(xiang)比之下，非經典 WNT 分子(zi) WNT5A 主(zhu)要在(zai)腺(xian)(xian)(xian)體(ti)(ti)周(zhou)圍的基質細胞(bao)中表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da)(da)。這些發現表(biao)(biao)(biao)(biao)明，經典的 WNT信號(hao)(hao)在(zai)腺(xian)(xian)(xian)體(ti)(ti)微(wei)環境(jing)中被抑制。 圖2 信號通路的空間表達特征 其次運用cell2location[2] 的方法來識別細胞類型的生態位，定義了三個以上皮細胞為中心的子宮內膜微環境： (1)lumenal—preciliated, ciliated and SOX9+LGR5+ epithelium (proliferative phase) and ciliated and lumenal (secretory phase)； (2)functional—SOX9+ proliferative epithelium, immune and eS (proliferative phase) and immune, glandular and dS (secretory phase)； (3)basal—SOX9+LGR5? and fibroblasts C7 圖3 單細胞空間聯合分析識別空間生態位 然后結合空間位(wei)(wei)置(zhi)的(de)(de)(de)微環境來分析(xi)細(xi)胞(bao)類型(xing)生態(tai)位(wei)(wei)的(de)(de)(de)相(xiang)互交流，發現(xian)顯(xian)著的(de)(de)(de)上(shang)(shang)皮-基質相(xiang)互作用，其中(zhong)NOTCH信號(hao)(hao)主要由上(shang)(shang)皮細(xi)胞(bao)介導(dao)，但是高表(biao)達JAG1的(de)(de)(de)上(shang)(shang)皮細(xi)胞(bao)卻經(jing)常與(yu)表(biao)達HEY1但低水平(ping)表(biao)達JAG1的(de)(de)(de)細(xi)胞(bao)相(xiang)鄰，表(biao)明(ming)嚴(yan)格(ge)的(de)(de)(de)空間臨(lin)近的(de)(de)(de)細(xi)胞(bao)通(tong)訊；與(yu)此同時(shi)在分泌細(xi)胞(bao)譜(pu)系中(zhong)WNT信號(hao)(hao)通(tong)路受到(dao)周圍細(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)嚴(yan)格(ge)抑制，說明(ming)在細(xi)胞(bao)在空間位(wei)(wei)置(zhi)上(shang)(shang)信號(hao)(hao)傳(chuan)導(dao)受到(dao)生態(tai)位(wei)(wei)的(de)(de)(de)嚴(yan)格(ge)調(diao)控。 圖4 空間通訊信號激活與抑制 其實(shi)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)于生物學(xue)組(zu)(zu)織(zhi)統一體(ti)的(de)(de)(de)認知，主要體(ti)現(xian)在細(xi)(xi)胞(bao)(bao)與(yu)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)類(lei)型(xing)時間(jian)上和空(kong)(kong)間(jian)上的(de)(de)(de)嚴格調(diao)控(kong)，細(xi)(xi)胞(bao)(bao)類(lei)型(xing)不會是隨(sui)機出(chu)現(xian)在任何(he)位置，而(er)(er)是在恒(heng)定(ding)的(de)(de)(de)時間(jian)，恒(heng)定(ding)的(de)(de)(de)地點發揮(hui)其獨特的(de)(de)(de)作用，且(qie)受到周(zhou)圍微(wei)環境(jing)的(de)(de)(de)影(ying)響。研(yan)究中(zhong)也發現(xian)每種細(xi)(xi)胞(bao)(bao)類(lei)型(xing)都會匹(pi)配(pei)一個相對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)穩定(ding)的(de)(de)(de)生態(tai)位，生態(tai)位對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)之(zhi)間(jian)交(jiao)流的(de)(de)(de)嚴格調(diao)控(kong)才(cai)是體(ti)現(xian)組(zu)(zu)織(zhi)真(zhen)正微(wei)環境(jing)的(de)(de)(de)關鍵所在，而(er)(er)我(wo)們要實(shi)現(xian)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)組(zu)(zu)織(zhi)內部微(wei)環境(jing)的(de)(de)(de)真(zhen)正認知，不僅僅需要單(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)數(shu)據精(jing)確(que)地告訴我(wo)們有哪些細(xi)(xi)胞(bao)(bao)類(lei)型(xing)，更需要空(kong)(kong)間(jian)轉錄組(zu)(zu)分析(xi)出(chu)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)類(lei)型(xing)周(zhou)圍相對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)恒(heng)定(ding)的(de)(de)(de)微(wei)環境(jing)，由此強(qiang)強(qiang)聯合，才(cai)可(ke)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)認知組(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)有序性(xing)、疾病對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)組(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)影(ying)響以及對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)臨(lin)床運用方(fang)面(mian)提供有價值(zhi)的(de)(de)(de)參考。
