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基因表达具有时间和空间的特异性，通过对不同时间点的样本取材，使用单细胞转录组测序技术能够解析时间维度上细胞类型和基因表达的变化过程。然而单细胞测序实验的前提是组织必须通过机械分离或酶解消化成单细胞悬液，此过程不可避免的丢失了组织中细胞所处的原始位置信息，也导致了细胞间的通讯网络被打破，这使我们难以获得组织中不同区域的细胞构成和基因表达状态，以及不同功能区之间的基因差异表达等信息。现有的原位表达图谱主要是通过报告基因或原位杂交等技术来实现，但是这些方法实现比较困难，并且通量低，限制了多样本、高时效的应用。而空间转录组技术则可以高效的检测组织中空间原始位置上的基因表达模式。
10X Genomic Visium应用方向
空间位置信息，或者细胞在组织中天然的状态在研究过程中其实具有十分重要的价值，特别针对某些研究领域，如发育生物学（不同位置的细胞接受不同的信号浓度梯度、响应不同的外界刺激，具有不同的发育命运）、肿瘤生物学（肿瘤组织与癌旁组织的区别，肿瘤细胞侵润过程中肿瘤细胞的变化与对正常细胞的影响，肿瘤转移的不同过程阶段等）、脑神经科学（不同脑区位置的神经元结构、神经连结，中间神经元投射，突触前后，神经胶质相互影响等等），细胞来源的位置信息是极为关键的决定因素。常见空间转录组的应用方向主要在肿瘤学，免疫学，发育生物学，神经科学及病理学等方向。
空间转录组的应用方向
案例解析
案例一
基于空间转录组测序进行肌萎缩性侧索硬化症分子病理学的时空动力学研究
Spatiotemporal dynamics of molecular pathology in amyotrophic lateral sclerosis[5]
发表杂志：Science
影响因子：41.037
发表单位：美国纽约基因组中心等
发表时间：2019年4月5日
摘要：
肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)的瘫痪是由运动神经元退化导致的骨骼肌失神经引起的。运动神经元和神经胶质之间的相互作用导致了运动神经元的丢失，但是在完整的脊髓组织中驱动这些过程的分子事件的时空顺序仍然知之甚少。在这里，作者使用空间转录组学来获得疾病过程中小鼠脊髓的基因表达量，以及肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者死后组织的基因表达量，以描述肌萎缩性脊髓侧索硬化症的潜在分子机制。通过识别通路动力学，在早期区分小胶质细胞和星形胶质细胞种群的区域差异，并识别小鼠ALS模型和人类死后脊髓之间共享的几个转录通路的扰动。
研究方法：
作者采用ALS小鼠（G93A）和野生型小鼠（WT），取发病前、早期症状开始、有症状和疾病末期等四个时间点的腰椎脊髓组织（L3—L5）进行空间转录组测序，获得基因表达的空间转录图谱，然后采用ALS患者死后的腰椎和颈椎脊髓的组织切片进行空间转录组测序来描绘基因的表达。作者收集了来自67只小鼠1165个组织切片的76136个空间基因表达测量值（spatial gene expression measurement，SGEM）和来自7名ALS患者80个组织切片的61031个SGEM。作者使用解剖注释区域（anatomical annotation region，AAR）tags对每一个SGRM进行注释，并利用这些tags进行差异基因表达分析。为了准确评估条件内外基因的表达水平、检测显著性区域以及解剖学和细胞类型上的改变，作者开发出分层生成概率模型（hierarchical generative probabilistic model），基于空间单细胞转录组数据学习，对小鼠脊髓的11,138个基因和人类脊髓的9624个基因的空间分布进行可靠的定量PCA分析SGEM数据的变化主要受到空间位置、疾病状态和基因型的影响。作者针对小鼠空间转录组数据开发了无偏共表达分析（unbiased coexpression analysis），来鉴定主要的共表达基因模块，分别代表不同的时空表达和通路活动。利用以上新的计算方法，作者揭示了疾病驱动的中枢神经系统中所有细胞类型的多个信号通路的活性变化。
研究内容：
小鼠脊髓基因的时空表达；ALS发生早期TREM2-和TYROBP-介导的信号通路异常；小鼠ALS发展过程中基因表达的时空动态变化；人类ALS患者脊髓组织时空转录组分析。
小鼠脊髓基因的时空表达
（A上）小鼠腰椎解剖区域（AARs）HE染色图；
（A左）基于WT小鼠SGEMs的mRNA区域空间表达可视化图；
（A右）共聚焦免疫荧光图像；
（B）产后70天（P70）和100天（P100）小鼠Aif1和Gfap基因的空间mRNA表达情况；
（C）P70和P100小鼠AIF1和GFAP蛋白共聚焦免疫荧光图像
案例二
空间分辨率的转录组学能够解析III期皮肤恶性黑色素瘤的遗传异质性
Spatially Resolved Transcriptomics Enables Dissection of Genetic Heterogeneity in Stage III Cutaneous Malignant Melanoma
发表杂志：Cancer Research
影响因子：8.556
发表单位：瑞典皇家理工学院基因技术系；瑞典卡罗林斯卡医学院肿瘤科-病理学系；发表时间：2018年10月15日
摘要：
皮肤恶性黑色素瘤(黑色素瘤)的特征是高突变负荷，广泛的肿瘤间和瘤内遗传异质性，以及复杂的肿瘤微环境(TME)相互作用。深入了解黑色素瘤的机制对于理解肿瘤的进展和治疗反应是至关重要的。作者将空间转录组学(ST)技术应用于黑色素瘤淋巴结活检，并成功地对2200多个组织域的转录组进行了测序。反褶积技术与传统的转录组数据降维方法相结合，既能可视化组织内的转录景观，又能识别与特定组织学实体相关的基因表达谱。无监督分析显示了一个复杂的空间瘤内组成的黑色素瘤转移，这是不明显的形态注释。每个活检都显示了不同的基因表达谱，包括多个黑色素瘤特征在一个肿瘤区域内共存的例子，以及根据其空间位置和基因表达谱特征的淋巴组织共享的基因表达谱。接近肿瘤区域的淋巴样区表现出一种特殊的表达模式，这可能反映了TME，这是全面了解肿瘤进展的关键组成部分。总之，使用ST技术来生成基因表达谱可以揭示黑色素瘤转移的详细情况。这将激励研究人员将空间信息整合到分析中，以识别肿瘤进展和治疗结果的潜在因素。
研究方法：
该研究包括来自4名IIIc期黑素瘤患者的淋巴结转移的样本。根据Johansson及其同事的结果分类（>60个月），除一个样本外，其他所有样本均为BRAFv600阳性，一名患者为长期幸存者。ST分析前的RNA质量控制显示RNA完整性数（RIN）在6.2和7.4之间。由训练有素的病理学家进行的手动组织学注释鉴定了转移灶内肿瘤细胞（即黑素瘤），基质和淋巴样的区域。注释结果用于与ST基因表达分析的结果进行比较。
该研究将空间转录组学（ST）技术应用于黑素瘤淋巴结活体检测，并成功测序了超过2,200个组织结构域的转录组。解卷积（Coevolution）与传统的转录组数据降维算法相结合，使作者既可以观察组织内的转录图谱，又可以识别与特定组织学实体相关的基因表达谱。作者的无监督分析（Unsupervised Analysis）通过对形态学注释不明显的每个活体单元检测显示出不同的基因表达谱，证明黑色素瘤转移过程中具有复杂空间肿瘤内成分，包括单个肿瘤区域内多个黑素瘤特征共存的实例以及根据其空间位置和基因表达谱表征的淋巴组织的共享特征。
研究内容：
淋巴结转移的空间分析步骤；从黑素瘤淋巴结转移产生空间分辨的转录组数据；通过因子分析和t-SNE可视化2200个组织结构域中的基因表达；肿瘤微环境TME中基因表达的可视化。
空间转录组（ST）方法的概述
空间转录组的过程总览以及下游的分析，带有条形码的微阵列包含1007个提前包被带有独特的空间ID条形码（Unique Barcode）RT引物的点格，每个点格的直径在100µm，这个可以和组织的空间结构域相对应，区域中心和区域中心的距离为200µm。
案例三
人心脏发育过程中全器官的基因表达和细胞图谱
A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart
发表期刊：Cell
影响因子：36.216
发表单位：瑞典皇家理工学院基因技术系；冷泉港实验室等
发表时间：2019.12.12
摘要：
人类心脏形态发生的过程尚不完全清楚。它的完整特征需要通过深入探索器官范围的单细胞空间分辨率的基因表达谱。在此，作者提出了一种分子方法，它揭示了胚胎心脏在三个发育阶段的细胞类型的全面转录图景，并将特定细胞类型的基因表达映射到特定的解剖结构域。通过单细胞空间转录组测序鉴定人胚胎心肌细胞类型，证实并丰富了胚胎心脏基因表达的空间注释。然后使用原位测序来提炼这些结果，并创建三个发育阶段的空间亚细胞图。最后，作者创建了一个公开可用的人类发育心脏的网络资源，以促进未来对人类心脏发生的研究。
研究方法：
分别在4.5~5、6.5、6.5~7和9 PCW这4个时间点采集4种发育心脏组织，受孕后年龄和临床年龄通过临床超声和胚胎的分期解剖学标志确定。计算得出心脏组织的性别信息。具体地说，4.5-5和6.5 PCW的心脏是男性，而6.5-7和9 PCW的心脏是女性。对4.5、6.5和9PCW的心脏进行ST和ISS分析，而6.5-7PCW的心脏进行scRNAseq。将6.5和6.5-7 PCW的样本作为生物重复样本，比较ST和scRNA-seq检测到的基因表达。在ST和ISS实验中，来自同一心脏组织的连续组织切片被认为是技术上的重复。但是，重要的是要注意，连续的部分高度相似，但不完全相同。共计2个scRNA-seq和19个ST。
研究内容：
人心脏发育过程中基因表达的时空动力学；单细胞转录组测序研究心脏发育不同阶段异质性；构建发育中的心脏表达图谱；通过时空分析解决细胞类型相似性问题。
研究概况
A、本研究包括三种人类心脏组织的发育阶段。
B、本研究所采用的分子生物学方法：
（1）利用空间转录组技术（ST），鉴定出了解剖学区域特异的marker；
（2）用scRNA-seq技术分析心脏中间时间点的细胞类型异质性；（3）用ISS技术定位亚细胞分辨率的关键基因；
（4）构建器官水平的3D基因表达图谱。
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