强强联合！生殖领域单细胞&时空组学联合研究方案正式发布
在胚胎发育以及其他生殖相关研究中，单细胞和时空组学技术可以助力在更高分辨率下观测发育过程基因表达模式、细胞在空间上的分布特点和呈现出来的结构特征，开展干细胞空间微环境（Nich）研究以及临近细胞通讯的研究等，实现单细胞水平空间细胞亚群进行精准定位，同时结合不同和妊娠时间，展现出与生殖相关的卵巢、子宫内膜空间结构（功能中心）等多种组织类型细胞类群动态特化过程，助力单细胞空间水平的生殖领域全新发现。
以下两篇单细胞和时空组学联合研究案例分享，供大家参考。
01
案例一：单细胞和时空组学技术联合分析助力研究饮食和遗传性肥胖导致卵巢微环境改变的细胞图谱绘制[1]
发表期刊：Sci China Life Sci（IF=10.327）
主要研究团队：山东大学生殖医学研究中心和中国科学院动物研究所等
研究摘要：
这项研究以两种由环境因素和遗传因素诱导的肥胖小鼠为研究对象，利用单细胞转录组和时空转录组技术联合绘制卵巢全景细胞图谱。首先鉴定得到不同卵泡发育阶段颗粒细胞的特征基因集，同时发现不同类型肥胖应激下，颗粒细胞发育及其对FSH敏感性存在显著差异。进一步研究分析发现，转录因子FOXO1是介导这种差异变化的关键调控因子。即在两种肥胖模型小鼠中，FOXO1及其调控基因集的表达规律迥异，提示FOXO1在卵泡发育过程中需要维持动态平衡，高表达和低表达都会损伤正常卵泡发育。
实验设计：
该研究利用Stereo-seq和细胞核单细胞转录组snRNA-seq分别对C57BL/6J野生型雌性小鼠（wild-type normal chow diet，NCD）、高脂饮食诱导的肥胖小鼠（wild-type high-fat diet，HFD）和瘦素基因敲除诱导的肥胖小鼠（Leptin-/- normal chow diet，OB）的卵巢样本进行高通量测序。
图1 实验设计方案
主要研究成果：
1. 细胞分辨率下卵巢细胞的全景空间和单细胞图谱绘制
该研究通过snRNA-seq总计捕获24,337个细胞核，平均基因中位值为800，时空组学总计鉴定到68,266个bin，鉴定到8种细胞类型，包括颗粒细胞（granulosa cell，GC）、卵泡膜间质细胞（theca-interstitial cell，TIC）、黄体细胞、基质细胞、免疫细胞、上皮细胞、卵母细胞和红细胞，单细胞数据辅助注释，绘制以单细胞分辨率的时空图谱。
图2 高脂饮食和瘦素缺失型肥胖对卵巢空间组学和单细胞图谱绘制比对
2. 空间和单细胞技术分析结果相互验证-GC亚群标记基因的相关性高度一致
研究人员发现GC是构成卵巢中最高比例的细胞，并且在卵泡发育过程中表现出相当大的变异性, Stereo-seq中的GC重聚类识别了四个颗粒细胞（GC）亚群，并且与snRNA-seq数据集中GC亚群标记基因的相关性高度一致,实现了GCs亚群在空间转录中的精准注释。
图3 颗粒细胞亚群中（GC）卵泡时期特异性基因在单细胞表达模式和空间特征一致性展示
3. 单细胞技术辅助发现肥胖扰乱mGC（颗粒细胞亚型）由小卵泡向大卵泡的分化关键基因表达和细胞类群变化
研究人员研究了肥胖对GC分化的影响，确定了九个在肥胖条件下发生显著变化的基因模块（图4D）。发现在GC从小卵泡向大卵泡的分化轨迹中，肥胖引起了一些关键基因的变化。
图4 肥胖对mGC分化影响的基因表达谱动态研究
4. 空间功能区域异质性研究发现FOXO1在HFD和OB肥胖小鼠模型中的反向表达
该研究利用Stereo-seq高分辨率和时空异质性可视化技术优势等，直观研究发现关键转录因子Foxo1及其靶基因（Cyp11a1）在GC中的空间表达，由此观察到Foxo1和Cyp11a1的表达模式相反（图5A）。此外，还发现HFD小鼠的Foxo1阳性spots数量减少，而Cyp11a1阳性spots显著增加，促使黄体细胞的卵巢类固醇激素合成增强。相比之下，OB组小鼠的Foxo1阳性spots数量增加，而Cyp11a1阳性spots数量减少（图5B），表明HFD和OB小鼠在卵巢类固醇合成方面表现出完全相反的特性。
图5 Foxo1在HFD和OB肥胖小鼠模型中呈反向表达
结论：
该研究通过华大Stereo-seq和单细胞snRNA-seq技术相结合，该研究针对肥胖小鼠模型与对照研究，提供了单细胞分辨率下卵巢细胞的全面动态空间图谱，揭示了OME中先前未知的空间复杂性及其在肥胖过程中的特定表达状态，为理解肥胖在OME中的生物学重要性提供了有价值的见解。
02
案例二：时空组学和单细胞组学联合解析妊娠早期子宫微环境[2]
发表期刊：Cell（IF=45.5）
主要研究团队：北京大学等
研究摘要：
这项研究使用单细胞转录组和华大stereo-seq技术首次对小鼠妊娠早期（E5.5-E9.5）着床位点的细胞组成进行了图谱绘制，并通过比较健康小鼠和复发性流产模型小鼠比较不同时间点样本进行比较，根据不同细胞的空间动态分布，鉴定出妊娠早期着床位点的8个不同功能中心着床位点功能中心的差异，揭示了胚胎着床初期蜕膜微环境建立及稳态维持是成功妊娠至关重要的条件。
实验设计：
单细胞研究实验设计：对妊娠E5.5-E10.5期间的母体来源的子宫组织内的细胞和红色荧光的胎儿来源细胞进行富集和单细胞转录组测序，健康小鼠和复发性流产模型小鼠，总计12个样本。
时空组学研究实验设计：对小鼠妊娠早期E6.5-E9.5的着床位点进行亚细胞分辨率的空间转录组测序，总计7张时空切片。
主要研究成果：
1. 富集后单细胞图谱绘制和细胞类群鉴定
该研究对妊娠E5.5-E10.5期间的母体来源的子宫组织内的细胞和红色荧光的胎儿来源细胞进行富集和单细胞转录组测序。最终得到8个母体来源和5个胚胎来源的主要细胞类型，随后，对母体来源的子宫内膜蜕膜细胞（DSC）、免疫细胞和血管内皮细胞进行亚型分析。
图6 小鼠胚胎不同发育时间点特定细胞类群富集后单细胞图谱绘制
2. 细胞类型空间异质性分析
研究人员利用华大Stereo-seq技术对小鼠妊娠早期E6.5-E9.5的着床位点进行亚细胞分辨率的空间转录组测序，将单细胞转录组细胞类型映射至空间转录组上，由此鉴定出着床位点以蜕膜组织、免疫细胞、血管内皮细胞和滋养层细胞亚型等组成的8个空间位置功能中心（functional hub， hub I-VIII）。
图7 小鼠妊娠早期着床位点的单细胞空间转录组图谱构建和功能中心定义
3. 目标细胞类群基因表达空间区域分布异质性分析
鉴定免疫特征的蜕膜基质细胞类群（iDSC）。该群细胞整体转录组与血管生成的蜕膜基质细胞亚群相似，E8.5之后空间定位于免疫招募中心和血管生成中心。iDSC0高表达与血管发育相关的基因（如 Angpt2、Runx1、Jcad和Adam12）；iDSC1亚群高表达炎症反应相关基因（如Clec4a2、Cxcl2、Ccl6和Aif1）；iDSC2高表达细胞溶解和凋亡相关的基因（如Prf1、Gzma/e、Tnfrsf9和Spp1）。空间定位上，iDSC0和iDSC2主要位于血管生成中心，iDSC1位于免疫招募中心。
图8 蜕膜基质细胞类群关键基因表达功能及空间分布异质性
4. 细胞转录组和空间位置分布差异研究
该研究通过比较健康小鼠和复发性流产小鼠模型的着床位点细胞转录组和空间位置分布差异发现，iDSC三个亚群相较于其他蜕膜基质细胞亚群具有更强的功能失调表型，包括免疫招募通路的趋化因子表达上调，以及血管成熟信号下调。同时iDSC1亚群（免疫功能）异常定位于血管生成中心，导致免疫细胞异常富集在血管生成中心，致使血管生成过程异常。由此推测，空间定位和分子异常的iDSC致使着床位点的功能中心特化失败，并最终导致妊娠失败。
结论：
该研究联合单细胞测序和空间转录组技术，将单细胞的技术有效地利用到了胚胎发育、疾病和肿瘤的发生发展过程中，通过健康和异常样本的比较，能得到异常细胞的转录水平差异，加上空间组学相当于从三维的角度联合研究生命活动过程。也通过此次研究发现细胞的空间异常定位也可能是潜在的致病机制之一，这为未来的疾病干预提供了一个新的策略。
华大自主研发的时空组学技术
Stereo-seq技术具有纳米级分辨率、厘米级全景视场的原位捕获，可以实现同一样本在组织、细胞、亚细胞、分子“四尺度”同时进行空间转录组分析，同时该技术通过多种类型芯片服务，能够满足不同研究需求。截止2024年5月31日，累计发表65篇文章，其中IF>10文章数有40篇。
华大自主DNBelab C4单细胞平台
华大科技提供DNBelab C系列高通量单细胞转录组全新服务，一站式解决方案，实现多领域、高性价比服务支持。截止2024年5月，累计发表85篇SCI文章，包含2篇Nature，2篇Cell，平均影响因子15+，其中IF>10文章数有35篇。
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参考文献：
[1] Jiang Y, Gao X, et al. Cellular atlases of ovarian microenvironment alterations by diet and genetically-induced obesity. Sci China Life Sci. 2024 Jan;67(1):51-66. doi: 10.1007/s11427-023-2360-3. Epub 2023 Sep 15. PMID: 37721638.
[2] Yang M, Ong J, et al. Spatiotemporal insight into early pregnancy governed by immune-featured stromal cells. Cell. 2023 Sep 28;186(20):4271-4288.e24. doi: 10.1016/j.cell.2023.08.020. Epub 2023 Sep 11. PMID: 37699390.
供稿：姜莹
编辑：市场部
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