空间转录组在发育相关研究中的应用

空间转录组测序可以同时获得细胞的空间位置信息和基因表达数据，获取不同功能区域的差异基因表达信息，进一步推进了对组织原位细胞真实基因表达的研究。基于肿瘤的异质性，空间转录组在肿瘤相关研究中有较多的应用，在上一篇空转应用介绍中我们也有分享。可能有小伙伴会问，我的研究方向并不是肿瘤，空间转录组可不可以为我助力呢？当然可以啦，今天小编继续跟大家一起分享空间转录组在发育相关研究中的应用，看看大神们都是如何玩转空间转录组的！

肠道是人体重要的消化器官和最大的屏障器官，通过与肠道菌群共生协调营养需求和免疫，而多种相互关联的细胞类型构成了成熟的肠道及其独特的形态。本文通过单细胞RNA测序和空间转录组学探讨肠道形态随时间变化的特征，绘制了一个跨时间、跨区域的大规模的人类肠道的形态发生图^[1]。

文章从代表了不同的发育时间（8到22 PCW）和组织部位的17个单独的胚胎中收集了77个肠道样本，跨越隐窝形成之前的时间点直至成人状绒毛/隐窝形态的发展，通过单细胞测序捕获了76,592个细胞，聚类分析将这些细胞分为9个肠道小室，包括上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞（EC）、周细胞、神经（ENS）、肌瘤、间皮、肌成纤维细胞和免疫细胞，并基于关键marker基因的精细注释，对分区内的101个亚群进行聚类，包括上皮细胞和间充质祖细胞群等，并绘制这101种细胞类型之间的串扰图，确定了成对细胞群之间受体-配体（RL）相互作用。

利用10x Genomics的Visium空间转录组对跨越整个肠道发育的组织进行空间转录组分析，通过每张切片中ST的转录特征确定了映射到离散位置的5-13个点簇，以scRNA-seq图谱为参考，确定每个ST可能的单细胞转录组成，从而在空间上定位所有scRNA-seq簇。与深度相关的基因鉴定反映了肌肉/神经过程（收缩/轴突形成）向吸收管腔功能（微绒毛组织和消化系统过程）发展的深度富集点，与细胞类型特征的顺序富集相符。

将内皮细胞分为静脉、动脉和淋巴管类型，并通过血管大小进一步区分。在发育过程中，观察到了从小血管到大血管的过渡，反映了肠道血管生成。进一步研究表明在较早时间点的大多数细胞都是高度循环的祖细胞。

精确定位派伊尔淋巴结（Peyer’s patches）和肠道相关淋巴组织（gut-associated lymphoid tissue, GALT）的起源，并描述其特定位置。派伊尔淋巴结特异性地定位于两个S4成纤维细胞亚群，并且表达随着发育而增加。S3-like祖细胞在增殖室中高度富集，表明这些细胞可能在这一时期产生大量分化成纤维细胞。

文章通过捕获全层肠道而非活检组织样本，通过单细胞测序和空间转录组测序相结合，描绘了肠道发育的关键事件，包括上皮隐窝-绒毛形成、间质分化、肌肉层建立、血管系统扩张、免疫定植和GALT出现等，并描述了特定于位置的免疫程序。对特定的时间点和细胞类型及相关基因的描绘可为新生儿相关疾病提供信息和参考。

造血干细胞（haematopoietic stem cells, HSC）可以无限自我复制，具有并分化成人体内各种血细胞的能力。本文通过单细胞转录组测序绘制了人类HSC 从动脉造血内皮细胞产生的全过程，并结合空间转录组动态展示了主动脉内造血群（Intra-Aortic Haematopoietic Clusters, IAHCs）中HSC的产生^[2]。

文章对来自三个Carnegie stage 14-15（CS 14-15）胚胎主动脉-性腺-中肾区域的CD34+和CD31造血和内皮细胞进行了scRNA-seq，鉴定了HSC亚群。对CS14 胚胎的多个组织进行了scRNA-seq分析后表明，HSC在进入循环系统或定植到肝脏之前，先在胚胎外多个组织中生长。

特征基因可在整个妊娠期间将HSC与祖细胞区分开。通过比较不同成熟阶段的造血干细胞，发现造血干细胞出现后转录因子机制的建立，而其表面表型在整个发育过程中不断演化。HSC的起源可追溯至ALDH1A1+KCNK17+造血内皮细胞，该细胞起源于动脉内皮亚群，称为前造血内皮细胞。利用空间转录组测序和免疫荧光技术，作者在位于腹侧的主动脉内造血簇中观察了这一过程。

文章通过单细胞测序和空间转录组学对上万个单细胞中的基因网络和功能进行识别和鉴定，描绘了血液干细胞发育不同阶段相关的特定分子特征，并揭示了这些细胞在胚胎中的位置。造血干细胞起源于内皮细胞，并在其发育过程中通过不同的位置迁移，从主动脉开始，最终到达骨髓。造血干细胞到达肝脏是其成熟过程中的重要时间节点，并在此获得了对其功能维持具有重要作用的成分。

通过单细胞测序和空间转录组测序构建了人类造血干细胞个体发生的体内图谱，验证了从人类多能干细胞中产生的主动脉-性腺-中肾样决定性造血干细胞和祖细胞，并为促进其向功能性造血干细胞的成熟提供了指导。

【参考文献】

1.David Fawkner-Corbett, Agne Antanaviciute, et al. Spatiotemporal analysis of human intestinal development at single-cell resolution. Cell. 2021, 184: 810–826.

2.Vincenzo Calvanese1, Sandra Capellera-Garcia, et al. Mapping human haematopoietic stem cells from haemogenic endothelium to birth. Nature. 2022, 604(7906): 534–540.