时空组学联盟（STOC）| Cell Press论文特辑
时空组学联盟（STOC）是一项大型合作研究计划，旨在通过大规模的时空分辨多组学分析，加速我们对发育、生理学和疾病中组织规模的细胞复杂性和相互作用的理解。为此，我们特别选荐了一系列有关STOC的文章。本期论文合集将帮助全球的研究人员了解动植物发育过程中，单细胞转录组随时间和空间的变化，为深入了解发育生物学奠定了分子基础。
什么是STOC？
STOC是一个开放的合作研究计划，旨在团结、组织、推动和分享全球在绘制时空图谱方面的科学努力，以解答生命之谜。
我们的任务
团结、组织、推动和分享全球的科学工作，绘制生物体的时空多原子图谱，并开发分析工具，以获得生理学、发育和衰老、疾病和进化方面的生物学见解。
主要举措
新的单细胞空间转录组技术的研发
生理学：多细胞生物体可能由数以万亿计的细胞组成。生理学图集的目标是在完整的时空背景下，逐个器官地绘制出细胞类型和细胞状态的完整目录。
发育与衰老：从单个细胞开始发育，到生长、成熟、衰老和死亡，人们已经基本观察到了生物体的整个生命过程，但从生物的时空背景来看，我们仍然对其知之甚少。结合空间分辨率、时间分辨率和强大的全新分析方法，STOC将是揭示发育图谱和衰老图谱中生物分子因果关系的关键。
疾病：疾病的发生跨越空间和时间；它们是四维的。从癌症到炎症，再到退行性疾病，为了更好地治疗和预防疾病，我们需要在细胞分辨率上详细描绘疾病发病的时空背景，这就是疾病图谱的目标。
进化：当今世界的全部生物多样性来自于数十亿年前的庞大系统发育树。绘制生物多样性图谱以创建时空分辨率的细胞图谱，并通过细胞理论和生物发育规律的视角进行分析，将为我们重写系统发育树提供前所未有的见解。
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精选论文
使用DNA纳米球模式阵列分析小鼠器官发育的时空转录组图谱
作者：Ao Chen, Sha Liao, Mengnan Cheng, Kailong Ma, Liang Wu, Yiwei Lai, and others
空间解析转录组技术是研究复杂生物过程（例如哺乳动物胚胎发育）的重要工具。然而，目前的方法在分辨率、基因捕获和视野方面的不平衡使其无法系统地应用于分析相对较大的三维妊娠中期和孕晚期胚胎。在此，研究者结合使用了DNA纳米球（DNB）模式分析和原位RNA捕获技术，创建了增强分辨率组学测序（Stereo-seq）。研究人员应用Stereo-seq生成了小鼠器官发育的时空转录组图谱（MOSTA），该图谱以单细胞分辨率和高灵敏度描绘了小鼠器官发育过程中转录变化的动力学和方向性。研究者使用这些信息来深入了解空间细胞异质性和细胞命运规范在发育组织（如背侧中脑）中的分子基础。本研究的全景图谱将有助于深入探究有关哺乳动物正常和异常发育的长期问题。
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发育中的果蝇胚胎和幼虫的高分辨率三维时空转录组图
作者：Mingyue Wang, Qinan Hu, Tianhang Lv, Yuhang Wang, Qing Lan, Rong Xiang, and others
长期以来，果蝇一直是多个生物医学领域的成功模式生物。空间序列的基因表达模式对于理解复杂的通路和相互作用至关重要，而时间序列的基因表达变化对于研究高度动态的生理活动至关重要。目前，果蝇的系统研究仍然由于缺乏时空转录组学信息而受到阻碍。在此，研究人员利用时空增强分辨率组学测序（Stereo-seq），以高分辨率和灵敏度剖析了发育中果蝇的时空转录组学变化。该研究证明了Stereo-seq数据可用于果蝇胚胎和幼虫空间转录组的三维重建。通过这些三维模型，研究人员确定了胚胎和幼虫中肠的功能子区域，揭示了幼虫睾丸的空间细胞状态动态，并揭示了其脱坡结构背景（topographic background）中已知的和潜在的转录因子调节区。这些数据为果蝇研究界提供了跨发育阶段的全生物体时空解析转录组学信息，也为后续研究提供了有用资源。
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单细胞时空增强分辨率组学测序揭示了拟南芥叶片中的区域特异性细胞亚型和转录组分析
作者：Keke Xia, Hai-Xi Sun, Jie Li, Jiming Li, Yu Zhao, Lichuan Chen, and others
了解植物叶片的复杂功能需要对离散细胞特征进行彻底的表征。尽管现在已经开发出了单细胞基因表达谱技术，但它们在表征细胞亚型方面的应用尚未实现。在此，本研究展示了单细胞时空增强分辨率组学测序（scStereo-seq），使其能够展现拟南芥叶子真实的单细胞空间转录组谱。该技术成功区分了上表皮细胞和下表皮细胞之间微妙但显著的转录组差异。此外，研究者发现了从主脉到叶缘的细胞类型特异性基因表达梯度，从而发现了维管细胞和保卫细胞的不同空间发育轨迹。该研究展示了单个细胞的物理位置对于发挥植物的复杂生物学功能的重要性，并证明了scStereo-seq是一种强大的工具，可以整合单细胞位置和转录组信息并用于植物生物学研究。
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斑马鱼胚胎发育过程中基因表达情况和发育轨迹的时空图谱
作者：Chang Liu, Rui Li, Young Li, Xiumei Lin, Kaichen Zhao, Qun Liu, and others
理解脊椎动物胚胎发育的一个主要挑战是缺乏拓扑转录组学信息，这些信息有助于在细胞命运决定的层次结构中关联微环境线索。在此，本研究使用Stereo-seq对91个斑马鱼胚胎切片进行了分析，涵盖了发育前24小时内的六个关键时间点，在10×10×15μm3（接近细胞大小）的分辨率下获得了总共 152,977 个空间坐标点。同时，研究者确定了特定组织结构的空间模块和共变基因。通过对每个时间点的Stereo-seq和scRNA-seq数据进行综合分析，该研究重建了斑马鱼胚胎发育过程中细胞命运转变和分子变化的空间分辨发育轨迹。研究人员进一步研究了配体-受体对的空间分布，并确定了斑马鱼胚胎发育过程中潜在的重要相互作用。本研究为旨在了解脊椎动物发育的进一步研究提供了基本参考。
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审校：Cell 科学编辑 杨扬
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