热点综述 | 一文看懂空间组学+单细胞转录组时空多维技术结合研究思路

基于单细胞组学在近三年发展起来的新兴领域，“单细胞多组学技术”和“空间转录组技术”先后在2019年和2020年被Nature Methods评为年度技术方法。时间和空间维度多维研究技术结合，将以全新研究思路出发，既能够获得单个细胞间异质性，又能获得细胞在组织空间上的结构位置信息，发现更多未知且精细化结果。

接下来，科技君为大家总结了五篇高质量的最新空间组学+单细胞转录组时空多维技术应用文章，包括应用于肾脏组织、人类胚胎肝脏和大脑等多个研究领域。

1

时间和空间双定位生物标志物和靶标

案例研究一

肾脏组织对内毒素的细胞和分子反应精准解释脓毒症时间线

发表期刊：eLife

发表时间：2021.01

研究背景：

脓毒症是一种动态状态，以可变速率发展并具有危及生命的后果。一般通过评估细胞和分子反应演变，沿脓毒症时间线对患者进行分期。

研究策略：

本次研究，通过研究败血症病理生理学的核心器官-小鼠内毒素血症肾脏模型，利用单细胞RNA-seq和空间转录组测序进行相关研究。 

研究主要结果：

时空组学揭示了各种细胞类群的参与在时间上是有组织的和高度协调，其中内皮细胞和基质细胞是第一反应者，在稍后的时间点，上皮细胞上调免疫相关通路，同时下调生理功能，如溶质稳态。在内毒素作用后16小时，细胞间通讯出现全面故障和器官关闭。尽管有这种明显的器官瘫痪，但上游调控分析表明，参与愈合和恢复的代谢途径具有显着的活性。这种对鼠内毒素血症的严格时间和空间定义将揭示精确生物标志物和靶标，有助于分期指导和为治疗人类败血症提供重要研究方向。

原文链接：

https://elifesciences.org/articles/62270

2

时间和空间多维度研究细胞图谱

案例研究二

空间转录组和单细胞转录组联合研究揭示人类胚胎肝脏的基因表达谱

发表期刊：Frontiers

发表时间：2021.05

研究背景：

肝脏是人体的重要器官之一，在新陈代谢和解毒方面起着重要作用。此外，胎肝是个体发育过程中的造血场所之一。了解这个复杂的器官在胚胎发生过程中是如何发育的，将有助于深入了解如何设计功能性肝脏替代组织以及如何促进肝脏再生。

研究策略：

研究团队结合单细胞转录组和空间转录组学技术的优势，在人类受孕后8周和17周的发育时间内对胎儿肝脏进行无偏见分析。系统地鉴定了九种细胞类型，并定义了主要细胞类型的发育途径。

研究结果：

结果表明，在实验研究期间，人胎肝经历了血液快速生长和迁移，并鉴定了红细胞发育过程中的差异表达基因和代谢变化。此外，关注肝病相关基因的表达，发现与肝病相关的17个基因主要在巨核细胞和内皮细胞中表达，在其他细胞类型中几乎没有表达。研究结果提供了对人胎肝中所有主要细胞类型的分化过程的全面而清晰的认识，这可能为肝病治疗和肝再生提供参考数据和信息。

原文链接：

https://doi.org/10.3389/fcell.2021.652408

3

时间和空间多维度研究细胞发育

案例研究三

祖细胞的发育启动尿道的发育

发表期刊：Nature Communications

发表时间：2021.05

研究背景：

肾脏和上尿路通过输尿管芽和周围间充质之间的相互作用而发育。输尿管芽分支形成肾脏的树枝状集合管系统，而输尿管尖端促进专用祖细胞形成肾单位，但输尿管芽祖细胞的起源，以及从中间中胚层发展到肾管和输尿管芽的细胞状态转变仍然未知。

研究策略：

利用单细胞RNA-seq和bulk RNA-seq以及空间转录组技术。

研究结果：

研究发现肾管形态发生是由四个主要祖细胞群的协调组织造成的，且部分祖细胞根据刻板的模式在时间和空间中同时出现，并确定转录因子Tfap2a/b和Gata3 作为该祖细胞进展的关键协调者。这项研究提供了对肾集合管系统的细胞起源和相关泌尿道发育疾病的更好理解，为功能性肾组织的引导分化提供信息。

原文链接：

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8113267/ 

案例研究四

发育中的小鼠大脑结构图谱

发表期刊：Nature

发表时间：2021.07

研究背景：

为了达到对小鼠发育阶段神经系统更高精度图谱绘制。

研究策略：

通过单细胞RNA-seq、空间转录组分析等方法揭开了发育过程中小鼠的大脑不同细胞状态的图谱。对胚胎时期E7到E18每天的小鼠脑进行液滴基础的单细胞RNA测序 (Droplet-based single-cell RNA sequencing)。

研究结果：

共获得到93个样品中292,495个有效细胞，每个细胞平均包括5,766个转录本和1,934个基因。其中32%的细胞处于细胞周期，因此转录的细胞周期激活特征是双模的。研究人员所建立的小鼠大脑发育过程时空转录组图谱提供了小鼠胚胎时期大脑转录组的多样性，这是对哺乳动物神经系统发展进行研究的关键步骤。另外，该图谱中所提供的发育时间、细胞谱系以及区域特异性的基因表达为遗传靶点的研究提供了关键工具，也为理解神经发育相关的疾病例如脑癌提供了重要平台。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03775-x

4

时间和空间多维度研究组织微结构细微差别

案例研究五

单细胞和空间组学揭示白色脂肪细胞亚群对胰岛素具有不同敏感性

发表期刊：Cell Metabolism

发表时间：2021.09

研究背景：

脂肪组织对胰岛素的整体反应能力取决于特定脂肪细胞亚型的比例和功能，白色脂肪组织(WAT)通过储存和释放脂质以及分泌调节热量摄入的因子在能量稳态中发挥重要作用。

研究策略：

通过10x Genomics Visium空间基因表达平台执行空间转录组学并将其与单细胞RNA测序数据以及邻域和图像分析相结合，提供了细胞类型和人类皮下腹部WAT结构的综合图谱。

研究结果：

最终确定三种显示出不同空间定位和对胰岛素不同反应的脂肪细胞群，提示脂肪细胞异质性是WAT胰岛素敏感性的决定因素。该研究也提供了一个开放资源以供更详细地剖析除了WAT架构，以及除了成熟脂肪细胞之外的其他细胞类型，有助于开发更好的治疗代谢疾病的方法，例如肥胖症和胰岛素抵抗2型糖尿病。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413121003636?via%3Dihub

空间转录组学是一项开创性的技术，让科学家能够测定组织样本中的所有基因活动，并定位该活动发生的位置。现在和未来，华大科技空间转录组技术将在细胞生物学，发育生物学，神经生物学，肿瘤生物学等研究领域持续发力。

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*DNBSEQ™测序系统cross-talk数据：2018年6月11日，在bioRxiv发表了文章Reliable Multiplex Sequencing with Rare Index Mis-Assignment on DNB-Based NGS Platform.

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