Cell专题 | 华大Stereo-seq系列成果发布，揭秘超高分辨率生命全景时空图谱
时空简讯第14期。
北京时间2022年5月4日晚，国际顶级期刊Cell和子刊Developmental Cell，上线了4篇应用Stereo-seq技术的研究文章，揭示其在小鼠、斑马鱼、果蝇、拟南芥模式生物中的应用成果，其中Cell文章详细介绍了Stereo-seq技术原理和细节。此外，Cell出版社官网还特设专题网页（https://www.cell.com/consortium/spatiotemporal-omics），展示了以上4篇文章及4篇应用Stereo-seq技术的BioRxiv预印成果，包括食蟹猴脑时空组图谱、蝾螈脑再生时空图谱、实体瘤时空组图谱等。同时，此次专题成果也是时空组学联盟（STOC）的首期重磅成果。
近年来，单细胞组学的爆炸式发展，使得研究人员可以从单个细胞中获得大量的转录组、表观遗传和蛋白质组学信息，然而，单细胞测序技术需要将细胞从组织中解离，其中关键的细胞空间信息将会丢失。因此，有必要将细胞的基因表达信息和空间位置信息一一对应。继2020年被Nature Methods评为年度技术方法之后，空间组学（spatial omics）在2022年再次被Nature评为值得关注的七大年度技术之一，其以强大的原位、高通量和精准的空间遗传表达信息表征能力逐渐“引爆”生命科学界。
“工欲善其事，必先利其器”。华大生命科学研究院作为领域的主要推动者之一，在2021年年初，发布了自主研发的时空组学技术Stereo-seq。相较国际同类技术，Stereo-seq通过时空捕获芯片，结合原位RNA捕获，实现了500nm的分辨率，同时捕获面积可达13cm×13cm，成为全球首个同时实现“纳米级分辨率”和“厘米级全景视场”的技术，且实现了基因与影像同时分析。与当前其他技术相比，在相同的精度下，Stereo-seq具备更灵敏和更强的mRNA捕获能力。该技术作为新时代的分子 “显微镜”，为重新认知器官结构、生命发育、物种演化和定义人类疾病提供了底层工具，将推动继显微镜和DNA测序技术以来的生命科学领域第三次科技革命。
Stereo-seq的技术原理示意图及其与其他空间转录组技术的性能比较
此次Cell Press以专辑的形式刊发Stereo-seq技术及其应用成果，凸显了其对时空组学的关注。现将已发表的4篇研究文章的主要内容和发现分享如下。
时空转录组测序技术Stereo-seq绘制小鼠器官发生图谱
Cell[IF: 41.582]
① 结合DNA纳米球（DNB）模式阵列和原位RNA捕获技术，建立了Stereo-seq（SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing）技术，相较当前其他空间转录组技术，该技术拥有最大的捕获面积（最大174.24cm2）、最灵敏的基因捕获（1,450个UMI/100μm2）和单细胞分辨率；
② 应用Stereo-seq对C57BL/6小鼠胚胎发育第9.5天（E9.5）至第16.5天（E16.5）产出了共53张矢状切面的转录组图谱，其中包括来自同一个E16.5胚胎的13张连续切片，并进一步描述了小鼠胚胎发育中晚期的器官发育基因的空间表达模式以及器官发育的轨迹，构建了小鼠器官发生时空转录组数据库（MOSTA，https://db.cngb.org/stomics/mosta/）；
③ 基于核酸染色影像进行细胞边界识别，获取了E16.5小鼠全胚胎具有空间位置的单细胞时空转录组信息，并在同一张切片上鉴定了4种上皮细胞亚型和6种成骨细胞亚型的空间分布情况，描述了前脑的抑制性神经元从内侧神经节隆起至皮层的迁移轨迹；
④ 在E12.5、E14.5以及E16.5小鼠的背侧中脑描述了中脑发育过程中的细胞分布异质性，并在中脑的脑室区发现中脑区域放射状胶质细胞向神经细胞祖细胞或胶质细胞祖细胞两个分支的分化轨迹以及在中脑发育过程中的时间分布异质性，并找到了决定放射状胶质细胞分别向两个分支发育的关键微环境因子和调控因子；
⑤ 利用Stereo-seq构建的小鼠中晚期的胚胎时空转录组图谱，描述了人类发育缺陷相关1,959个基因在小鼠胚胎中表达模式，并在单细胞精度下研究了由WNT5A基因突变导致的罗宾诺综合征（Robinow Syndrome）在小鼠上颚和肢体中累及的细胞类型，证明了应用MOSTA解析发育过程中疾病相关基因表达的时空窗口和潜在累及细胞和器官方面的潜力。
Stereo-seq芯片工作原理及小鼠胚胎发育时空转录组图谱
Stereo-seq对E16.5小鼠整个胚胎单细胞分割和构成分析图
Spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse organogenesis using DNA nanoball-patterned arrays.
2022.05.04, DOI: 10.1016/j.cell.2022.04.003.
研究论文；小鼠，胚胎，器官，细胞类型，Stereo-seq，空间转录组，单细胞，时空技术；陈奥，廖莎，成梦南，麻凯龙，吴亮，赖毅维，邱肖杰，Miguel A. Esteban，黎宇翔，刘龙奇，徐讯，汪建；深圳华大生命科学研究院, 中国科学院，广州生物医药与健康研究院, University of Copenhagen; 中国, Denmark.
斑马鱼胚胎发生过程中基因表达全景图谱及发育轨迹的时空映射
Developmental Cell [IF: 12.270]
① 应用华大自主Stereo-seq技术，结合多切片策略，在较高分辨率水平上剖析了斑马鱼早期胚胎发育中基因表达和调控网络的时空动态，为进一步了解脊椎动物的发育提供了参考；
② 选取受精后24h内6个关键发育时间点（3.3、5.25、10、12、18、24hpf）的斑马鱼胚胎，对总共91张矢状面冰冻切片进行了Stereo-seq分析，在10×10×15µm3分辨率下（接近单细胞尺寸）总共获得了139,391个位点（spots），并在此基础上搭建了斑马鱼早期胚胎发生时空转录组图谱在线开放资源库ZESTA( http://stereomap.cngb.org/zebrafish/data_index);
③ 利用基于计算基因表达空间分布相似性的空间共变基因模块，探究了空间功能区域间的相互调控作用；
④ 对每个时间点的Stereo-seq数据和scRNA-seq数据进行整合分析，构建了斑马鱼胚胎发生过程中细胞命运转变和细胞分子变化的时空发育轨迹，探索性地研究了细胞空间微环境与分化方向之间的关联；
⑤ 分析了斑马鱼胚胎发生过程中不同配体-受体对的动态空间分布，发现了新的配体-受体对互作模式，提示了潜在的胚胎发育调控机制。
不同发育阶段的斑马鱼胚胎时空细胞图谱概览
Spatiotemporal mapping of gene expression landscapes and developmental trajectories during zebrafish embryogenesis.
2022.05.04, DOI: 10.1016/j.devcel.2022.04.009.
研究文章；斑马鱼，胚胎发育，空间转录组，Stereo-seq，scRNA-seq；刘畅，李睿，李杨，林秀妹，赵恺晨，刘群，徐讯，董志强，刘龙奇；深圳华大生命科学研究院, 华中农业大学, 湖北医药大学附属太和医院，中国科学院大学；中国
果蝇胚胎和幼虫发育的高分辨率3D时空转录组图谱
Developmental Cell [IF: 12.270]
① 应用Stereo-seq技术获取了果蝇晚期胚胎（产卵后14~16h、16~18h）和3个（L1~L3）龄期幼虫发育阶段的时空转录组数据，转录本的空间模式均与之前原位杂交数据相匹配，并能鉴定到之前未检测到的转录本，为深入研究果蝇跨发育阶段的时空解析转录组提供了数据资源；
② 基于Stereo-seq数据，通过热点分析探索了果蝇晚期胚胎和幼虫中肠的区域化，揭示了果蝇发育过程中消化道功能基因的动态时空特征，并为胚胎发生过程中中肠区域化的变化提供了线索；
③ 对L3果蝇幼虫精巢的一个横切面进行了亚聚类和空间基因表达分析，鉴定了精子发生过程中的各种细胞类型，包括不同阶段的精原细胞和初级精母细胞，并观察到分化生殖细胞过程中mRNA丰度的变化；
④ 通过空间SCENIC（single-cell regulatory network inference and clustering）分析果蝇发育阶段的Stereo-seq数据，在果蝇胚胎和幼虫样本中，发现了先前报道的转录因子介导的多个调控因子（如中枢神经系统中的Rbp6，表皮中的grh，脂肪体中的srp，中肠中的Kay，肌肉中的Mef2），并发现了中枢神经系统特异性CG16779的调控活性，确认了已知的和潜在的空间基因调控网络；
⑤ 应用果蝇晚期胚胎全部切片的Stereo-seq数据，在计算机上重建了3D胚胎的时空转录组图谱。
3D果蝇晚期胚胎空间转录组图谱
High-resolution 3D spatiotemporal transcriptomic maps of developing Drosophila embryos and larvae.
2022.05.04, DOI: 10.1016/j.devcel.2022.04.006.
研究论文；果蝇，幼虫，胚胎，空间转录组，Stereo-seq；王明月，胡琪楠，吕天航，王宇航， 兰青，涂桢铖，黎宇翔，王晓山，徐讯，胡宇慧，刘龙奇；深圳华大生命科学研究院，南方科技大学，中国科学院大学，中国
基于scStereo-seq技术揭示拟南芥叶片中区域特异性细胞亚型和单细胞空间转录组分析
Developmental Cell [IF: 12.270]
① 基于华大自主的Stereo-seq空间转录组技术，结合植物细胞具有细胞壁这一特性，建立了广泛适用于植物的单细胞空间转录组技术scStereo-seq（Single-cell SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing），首次在植物研究领域中应用并绘制了拟南芥（Arabidopsis）叶片的单细胞空间转录组图谱；
② 植物单细胞研究中，存在部分细胞亚型因分子特征高度相似，而难以有效地区分和研究的问题，scStereo-seq应用于拟南芥茎生叶横切面，成功将高度相似的细胞亚型进行有效区分和分子特征的解析（如表皮细胞中的上表皮细胞和下表皮细胞，叶肉细胞中的栅栏细胞和海绵细胞）；
③ 首次从单细胞水平揭示了光合作用相关基因（PQL1、LHCA6、PSB29、PPL2、FNR1）的表达水平在空间上呈现从主叶脉到叶边缘方向上的梯度变化的趋势；
④ 利用细胞空间位置信息，构建了不同类型细胞的空间发育轨迹，发现在维管细胞中，主叶脉区域的细胞相较于叶边缘细胞，占有更高比例的分化程度较低的细胞；而在表皮细胞和保卫细胞的发育轨迹未能观察到明显的空间分布差异特征。
拟南芥单细胞Stereo-seq研究流程示意图
The Single-cell Stereo-seq reveals region-specific cell subtypes and transcriptome profiling in Arabidopsis leaves.
2022.05.04, DOI: 10.1016/j.devcel.2022.04.011.
研究文章；植物，拟南芥，叶片，scStereo-seq, 单细胞，空间转录组, 发育轨迹；夏科科，孙海汐，李洁，李纪明，赵宇，汪建，顾颖，徐讯；深圳华大生命科学研究院，中国科学院大学，沃森基因组科学研究所；中国
4篇文章原文链接如下：
1. Spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse organogenesis using DNA nanoball-patterned arrays.
Cell. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00399-3.
2. Spatiotemporal mapping of gene expression landscapes and developmental trajectories during zebrafish embryogenesis.
Developmental Cell. https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(22)00249-0.
3. High-resolution 3D spatiotemporal transcriptomic maps of developing Drosophila embryos and larvae.
Developmental Cell. https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(22)00246-5.
4. The single-cell stereo-seq reveals region-specific cell subtypes and transcriptome profiling in Arabidopsis leaves.
Developmental Cell. https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(22)00251-9.
致谢：感谢以上研究的主创作者（吴亮、刘畅、夏科科和王明月等）支持参与以上简讯内容的凝练和创作。
编辑：丽娜、力强
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