空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在人類(lèi)疾病臨床研究中的應(yīng)用案例（下）

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）在人類(lèi)疾病中的潛在應(yīng)用是臨床和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的重要問(wèn)題之一，包括神經(jīng)學(xué)、胚胎發(fā)育、腫瘤學(xué)和炎癥學(xué)。因此，明確的臨床目標(biāo)、設(shè)計(jì)、采樣程序和方案的優(yōu)化、ST的可重復(fù)性以及分析和解釋的簡(jiǎn)化是將ST轉(zhuǎn)換到臨床的關(guān)鍵。

上期為大家?guī)��?lái)了2篇空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在神經(jīng)學(xué)中的應(yīng)用案例，本期推送繼續(xù)為大家?guī)��?lái)空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在病胚胎發(fā)育中的應(yīng)用案例及空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)應(yīng)用的研究思路總結(jié)。

胚胎和干細(xì)胞譜系是探索組織模式和相應(yīng)分子調(diào)控回路的范例。帶有scRNA-seq的ST為剖析胚胎發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞組織的分子動(dòng)力學(xué)、形態(tài)學(xué)和分子特性的差異以及譜系分配開(kāi)辟了新的途徑。

案例一

人類(lèi)胚胎心臟細(xì)胞類(lèi)型、細(xì)胞類(lèi)型分布和空間組織的綜合轉(zhuǎn)錄圖譜揭示了4.5-5周、6.5周和9周后的三個(gè)發(fā)育階段。使用Seurat進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，三個(gè)人類(lèi)胚胎心臟樣本的ST曲線顯示了人類(lèi)胚胎心臟發(fā)育過(guò)程中約3115個(gè)spot和10個(gè)心肌亞群。從約69個(gè)選定的靶基因中獲得了104個(gè)細(xì)胞類(lèi)型、轉(zhuǎn)錄組和人類(lèi)心臟發(fā)育時(shí)空?qǐng)D譜。心臟胚胎組織的scRNA-seq分析產(chǎn)生了三種類(lèi)型的心肌細(xì)胞、兩種類(lèi)型的內(nèi)皮細(xì)胞和四種類(lèi)型的成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞。通過(guò)結(jié)合ST、scRNA-seq和GO富集分析，它能夠更好地識(shí)別組織中每種細(xì)胞類(lèi)型、心臟細(xì)胞類(lèi)型特異性基因和相互作用網(wǎng)絡(luò)的位置分布和基因標(biāo)記。這樣的人類(lèi)胚胎心臟圖譜使科學(xué)家能夠充分利用寶貴的資源、細(xì)胞間通訊和譜系發(fā)育。

心臟胚胎組織的scRNA-seq分析顯示三種類(lèi)型的心肌細(xì)胞，兩種類(lèi)型的內(nèi)皮細(xì)胞和四種類(lèi)型的成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞。空間轉(zhuǎn)錄組結(jié)合scRNA-seq揭示了每種細(xì)胞類(lèi)型的位置分布和基因標(biāo)記。結(jié)合scRNA序列和空間異質(zhì)基因組中的差異表達(dá)基因，篩選細(xì)胞類(lèi)型和基因。

心臟細(xì)胞類(lèi)型特異性基因和蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的GO富集分析

案例二

通過(guò)使用10×GenomicsVisium和Space Ranger軟件，展示了人類(lèi)腸道發(fā)育和形態(tài)發(fā)生的時(shí)空?qǐng)D譜。在這項(xiàng)特定的研究中，從代表不同發(fā)育時(shí)間點(diǎn)和組織位置的17個(gè)胚胎中收集了77個(gè)腸道樣本，并根據(jù)關(guān)鍵標(biāo)記基因的精細(xì)聚類(lèi)注釋在隔室中確定了101個(gè)亞群。轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的定位和示例如下圖所示，以突出顯示每種細(xì)胞類(lèi)型的關(guān)鍵調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并使用scRNA-seq重建細(xì)胞命運(yùn)的“決策樹(shù)”，包括已知的發(fā)育調(diào)控因子、306個(gè)發(fā)育時(shí)程和44個(gè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的位置變化。對(duì)整個(gè)腸道發(fā)育過(guò)程中的組織進(jìn)行ST分析，發(fā)現(xiàn)了scRNA-seq識(shí)別亞群的時(shí)空位置、上皮隱窩絨毛的形成、間充質(zhì)的分化、肌肉層的建立、血管系統(tǒng)的擴(kuò)張、免疫定植和腸道相關(guān)淋巴組織的出現(xiàn)。每種類(lèi)型的細(xì)胞都有特定的基因標(biāo)記，其中一些在基因表達(dá)、腸細(xì)胞類(lèi)型特定基因和相互作用網(wǎng)絡(luò)方面存在位置和時(shí)間點(diǎn)差異。這項(xiàng)特殊研究的杰出發(fā)現(xiàn)為理解新生兒疾病和腸道發(fā)育的遺傳缺陷提供了新的見(jiàn)解。

以單細(xì)胞分辨率對(duì)人類(lèi)腸道發(fā)育進(jìn)行的時(shí)空分析確定了九個(gè)腸道分區(qū)，包括上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、肌層、間皮細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞。每種類(lèi)型的細(xì)胞都有特定的基因標(biāo)記，其中一些在基因表達(dá)上存在位置和時(shí)間點(diǎn)差異。FABP1在上皮細(xì)胞中特異表達(dá)，在結(jié)腸中過(guò)度表達(dá)。HMGA2、MYH11和PHOX2B在結(jié)腸和回腸末端持續(xù)表達(dá)。確定腸道細(xì)胞特征基因，其在每種細(xì)胞類(lèi)型中表現(xiàn)出特定的關(guān)鍵基因表達(dá)。

腸道細(xì)胞類(lèi)型特異性基因和蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的GO富集分析

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)應(yīng)用的工作流程總結(jié)

(a) 空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)主要用于解決疾病的空間異質(zhì)性、生物空間轉(zhuǎn)錄組圖譜和胚胎發(fā)育空間藍(lán)圖。四種ST技術(shù)包括微切割基因表達(dá)、原位雜交、原位測(cè)序和原位捕獲。根據(jù)不同的樣品特征和需要，使用不同的技術(shù)，并使用各種生物工具進(jìn)行分析。

(b) 腫瘤微環(huán)境模擬圖。ST技術(shù)有助于了解腫瘤細(xì)胞的空間位置、基因表達(dá)以及微環(huán)境中細(xì)胞間的分子通訊。例如，肺組織中的H&E染色提供樣本病理信息和評(píng)估樣本質(zhì)量，并進(jìn)一步整合細(xì)胞分組和位置信息分析，如基底細(xì)胞、杯狀細(xì)胞、纖毛細(xì)胞、肺泡上皮細(xì)胞1型、2型和其他細(xì)胞，以便更好地理解細(xì)胞微環(huán)境中的分子通訊機(jī)制。

總結(jié)

隨著新ST技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集不斷改進(jìn)，ST分辨率、靈敏度、吞吐量和可訪問(wèn)性方面的挑戰(zhàn)正在被克服。ST與石蠟包埋組織相容，提供了對(duì)生物庫(kù)中采集的樣本進(jìn)行回顧性分析的可能性。這將有可能系統(tǒng)地檢測(cè)各種組織并重建生物體的三維空間結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。改良的ST將使我們進(jìn)一步了解生物體的發(fā)育過(guò)程，并為臨床醫(yī)學(xué)中的早期疾病檢測(cè)和精確的靶向治療提供基礎(chǔ)。ST與多種技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用將需要滿足臨床需求。因此，我們相信，持續(xù)提高ST段分辨率和單細(xì)胞分辨率的敏感性將有利于臨床實(shí)踐和改善患者預(yù)后。

參考文獻(xiàn)：

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