組織切片的空間轉錄組學所描繪出復雜二維圖譜，其中的細胞類型和結構分布，實際上也只不過是其三維圖譜特征信息的碎片而已。以三維角度的方式觀察動物復雜器官/腫瘤的三維空間數(shù)據(jù)，并按照不同的診斷和治療目的，在腫瘤內(nèi)部輔助導航定位。同時也可應用于胚胎發(fā)育、腦科學及再生等研究領域，能夠幫助我們更好地理解器官功能，解析早期胚胎發(fā)育的“黑匣子”。

目前發(fā)表了許多3D時空圖譜方向的文章，本期我們盤點了10篇經(jīng)典的時空3D圖譜文章，這些成果發(fā)表期刊有Cell(IF=45.5)、Nature Genetics(IF=31.7)、Nature Communications（IF=14.7）等！研究的物種涉及人、鼠、果蠅、獼猴、地中海渦蟲等，涉及組織部位主要是胚胎、腦、心臟、蟲體等。接下來，我們一起來看看空間轉錄組技術如何為胚胎發(fā)育、腦科學、再生等研究領域帶來新的科學發(fā)現(xiàn)吧！

案例一——人類原腸期胚胎3D圖譜

英文標題：3D reconstruction of a gastrulating human embryo

發(fā)表期刊：Cell

影響因子：45.5

物種樣本：CS8人類胚胎

測序策略：空間轉錄組

DOI：10.1016/j.cell.2024.03.041

取樣策略：CS8人類胚胎沿著前后軸(A-P)進行冷凍切片，每間隔1片保留切片作為實驗樣本，總計62張橫向切片

在本研究中，通過構建完整的CS8人類胚胎3D模型，將單個細胞的空間信息與其基因表達譜相結合，系統(tǒng)描繪了胚胎形態(tài)、細胞類群、空間位置和轉錄組特征，準確注釋了不同的細胞亞型，深度解析了重要胚外組織羊膜細胞發(fā)育過程和卵黃囊造血譜系特化，重點發(fā)現(xiàn)了參與早期發(fā)育的不同信號通路采用不同的策略沿胚胎A-P軸建立差異激活的特點。這項研究不僅可以確定人類原腸胚形成過程的關鍵細胞和分子特征，還可以指導今后干細胞衍生的人類胚胎模型的生成。

案例二——從果蠅胚胎發(fā)育到蛻變的單細胞三維時空多組學圖譜

英文標題：A?single-cell?3D?spatiotemporal?multi-omics?atlas?from?Drosophila?embryogenesis?to?metamorphosis

發(fā)表期刊：bioRxiv

物種樣本：果蠅胚胎、幼蟲和蛹

測序策略：空間轉錄組、scRNA-seq、scATAC-seq

DOI：https://doi.org/10.1101/2024.02.06.577903

取樣策略：胚胎發(fā)生過程的24小時內(nèi)，每隔0.5至2小時收集一次胚胎；3個幼蟲期的每個早/晚時間點采集幼蟲樣本；蛹化后每隔12 h采集一次蛹樣。共計43個胚胎、9個幼蟲、5個蛹，收集7或8 μm厚度的矢狀面進行空間轉錄組。

在本研究中，研究團隊構建了Flysta3D——一個全面的時空多組學圖譜，涵蓋了模式生物果蠅從胚胎到蛹的發(fā)育歷程。數(shù)據(jù)集包括3D單細胞空間轉錄組學、單細胞轉錄組學和單細胞染色質(zhì)可及性信息。通過整合這些多維數(shù)據(jù)，構建了揭示組織發(fā)育詳細概況的細胞狀態(tài)軌跡。以中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)和中腸為研究對象，從多組學角度分析了基因調(diào)控網(wǎng)絡、細胞類型多樣性和形態(tài)變化的時空動態(tài)。這個廣泛的圖譜提供了前所未有的豐富資源，并作為一個系統(tǒng)的平臺，以超高時空分辨率集成單細胞數(shù)據(jù)來研究果蠅的發(fā)育。

案例三——小鼠大腦的空間分辨分子和細胞圖譜

英文標題：Spatially resolved molecular and cellular atlas of the mouse brain

發(fā)表期刊：bioRxiv

物種樣本：小鼠半腦

測序策略：空間轉錄組、snRNA-seq

DOI：https://doi.org/10.1101/2023.12.03.569501

取樣策略：兩只小鼠半腦，每只間隔100 μm取一張10 μm切片進行空間轉錄組，小鼠#1 123張切片、小鼠#2 72張切片，大腦分區(qū)域解剖進行snRNA-seq

在本研究中，研究團隊使用snRNA-seq和空間轉錄組技術，生成了包含308個細胞簇空間信息的小鼠腦圖譜，單細胞分辨率涉及600多萬個細胞以及29,655個基因。發(fā)現(xiàn)了新的星形膠質(zhì)細胞簇，并證明了不同的細胞簇表現(xiàn)出對皮層亞區(qū)的偏好。鑒定出155個基因在腦干中表現(xiàn)出區(qū)域特異性，513個長鏈非編碼RNA在成鼠大腦中表現(xiàn)出區(qū)域特異性?；诳臻g轉錄組信息的腦區(qū)分割與傳統(tǒng)方法存在較大的重疊，還發(fā)現(xiàn)了411個在發(fā)育過程中具有時空特異性的轉錄因子調(diào)控。因此，該研究發(fā)現(xiàn)了具有時空特異性的基因和調(diào)控子，并提供了小鼠大腦的高分辨率空間轉錄組圖譜。

案例四——小鼠器官發(fā)生的三維圖譜

英文標題：Three-dimensional molecular architecture of mouse organogenesis

發(fā)表期刊：Nature Communications

影響因子：14.7

物種樣本：小鼠胚胎

測序策略：空間轉錄組、scRNA-seq(公共數(shù)據(jù))

DOI：10.1038/s41467-023-40155-7

取樣策略：E13.5小鼠胚胎沿顱尾軸連續(xù)冷凍切片，從中選10張10 μm切片進行10x Visium空間轉錄組；雌性胚胎(E3)獲得了4個切片，以更好地覆蓋性別分化在本研究中，研究人員展示了小鼠胚胎第13.5天所有主要器官的空間轉錄組圖譜，并通過堆疊切片提供了胚胎模式分子調(diào)控的三維渲染。通過將空間圖譜與相應的單細胞轉錄組學數(shù)據(jù)相結合，提供了一個詳細的關于器官發(fā)育動態(tài)本質(zhì)的分子注釋，空間細胞相互作用，胚胎軸，以及哺乳動物發(fā)育背后的細胞命運分化，這將為精確的器官工程和基于干細胞的再生醫(yī)學鋪平道路。

案例五——獼猴大腦皮層細胞三維圖譜

英文標題：Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in the macaque cortex

發(fā)表期刊：Cell

影響因子：45.5

物種樣本：獼猴大腦左半球皮質(zhì)組織

測序策略：空間轉錄組、snRNA-seq

DOI：10.1016/j.cell.2023.06.009

取樣策略：每隔500 μm取一次：包含兩個50 μm的大腦樣品切片進行snRNA-seq+一張10 μm切片進行空間轉錄組+兩張臨片切片進行尼氏染色。獼猴#1 119張切片、獼猴#2 19張切片、獼猴#3 23張切片，共161張進行空間轉錄組闡明大腦皮層的細胞組織是理解大腦結構和功能的關鍵。在本研究中，研究人員利用大規(guī)模單核RNA測序和143個獼猴皮質(zhì)區(qū)域的空間轉錄組學分析，獲得了264種轉錄組定義的皮質(zhì)細胞類型的綜合圖譜，并繪制了它們在整個皮質(zhì)的空間分布。表征了谷氨酸能、氨基丁酸能和非神經(jīng)元細胞類型的皮質(zhì)層和區(qū)域偏好，以及細胞類型組成和“鄰域復雜性”的區(qū)域差異。值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn)了視覺和體感系統(tǒng)中各種細胞類型的區(qū)域分布與區(qū)域等級水平之間的關系。來自人類、獼猴和小鼠皮層的轉錄組學數(shù)據(jù)的跨物種比較進一步揭示了靈長類特異性細胞類型在第4層富集，其標記基因以區(qū)域依賴的方式表達。該研究數(shù)據(jù)為理解靈長類動物大腦的進化、發(fā)育、衰老和發(fā)病機制提供了細胞和分子基礎。

案例六——小鼠胚胎器官發(fā)生時的時空轉錄組圖譜

 

英文標題：Spatiotemporal transcriptomic maps of whole mouse embryos at the onset of organogenesis

發(fā)表期刊：Nature Genetics

影響因子：31.7

物種樣本：小鼠早期胚胎

測序策略：空間轉錄組Slide-seq

DOI：10.1038/s41588-023-01435-6

取樣策略：小鼠E8.5期胚胎：2個胚胎，15張10 μm切片，間隔30 μm；小鼠E9.0期胚胎：1個胚胎，26張10 μm切片，間隔20 μm；小鼠E9.5期胚胎：3個胚胎，13張10 μm切片在本研究中，研究人員使用Slide-seq技術構建了完整胚胎E8.5和E9.0以及部分E9.5胚胎的空間轉錄組圖譜。為了支持該項研究的應用，研究人員開發(fā)了sc3D——一個重建和探索三維“虛擬胚胎”的工具，它可以定量研究區(qū)域化的基因表達模式。發(fā)育中的神經(jīng)管主胚軸的測量揭示了幾個以前未注釋的基因具有不同的空間模式。文章還描述了Tbx6突變胚胎中出現(xiàn)的“異位”神經(jīng)管的相互沖突的轉錄特性。綜上所述，文章提出了一個用于整個胚胎結構和突變表型時空研究的實驗和計算框架。

案例七——地中海渦蟲再生3D圖譜

英文標題：Spatiotemporal transcriptomic atlas reveals the dynamic characteristics and key regulators of planarian regeneration

發(fā)表期刊：Nature Communications

影響因子：14.7

物種樣本：地中海渦蟲

測序策略：空間轉錄組、scRNA-seq

DOI：10.1038/s41467-023-39016-0

取樣策略：地中海渦蟲截肢后0小時、6小時、12小時、24小時、36小時、3天、7天，每個時間點12~17張切片

在本研究中，研究人員首先繪制了具有強大再生能力地中海渦蟲六個不同再生時期的空間轉錄組和單細胞轉錄組圖譜，并構建了各類細胞類型和組織類型的空間三維分布模型。通過解析全能干細胞亞群的分化軌跡，鑒定到一類以osr2標記的新多能細胞亞群，并且觀察到在輻射處理下，敲低osr2的渦蟲出現(xiàn)延遲再生表型。與此同時，為了進一步發(fā)掘影響渦蟲再生的關鍵基因，利用構建的三維空間模型，系統(tǒng)地解析了具有空間及細胞特異性分布的基因表達模塊，確定了與傷口區(qū)域或極性（背腹側或前后軸）相關的多個特征模塊。

案例八——肺部腫瘤的三維高分辨率分子圖譜

英文標題：High-resolution molecular atlas of a lung tumor in 3D

發(fā)表期刊：bioRxiv

物種樣本：人類肺癌

測序策略：CosMx空間原位成像技術

DOI：https://doi.org/10.1101/2023.05.10.539644

取樣策略：非小細胞肺癌(NSCLC)腫瘤塊連續(xù)切下34個5 μm切片：分別進行二次諧波SHG成像、H&E染色、空間轉錄組（1000 Panel CosMx空間分子成像系統(tǒng)）該研究展示了侵襲性人肺癌常規(guī)臨床樣本的3D空間圖譜，通過將跨340,000個細胞的960個癌癥相關基因的原位定量與組織力學成分的測量相結合，三維細胞鄰域?qū)⒛[瘤微環(huán)境細分為腫瘤、基質(zhì)和免疫多細胞生態(tài)位。有趣的是，偽時間分析表明，在基質(zhì)浸潤性腫瘤細胞中檢測到的促侵襲性上皮細胞向間充質(zhì)細胞轉化(EMT)已經(jīng)發(fā)生在腫瘤表面的一個區(qū)域。在那里，肌成纖維細胞和巨噬細胞特異性地與侵襲前腫瘤細胞共定位，它們的多細胞分子特征確定了生存時間較短的患者。與2D相比，3D鄰域通過識別樹突狀生態(tài)位，捕捉T細胞生態(tài)位的3D擴展和促進生態(tài)位特異性細胞-細胞相互作用的量化(包括可藥物免疫檢查點)，改善了免疫生態(tài)位的表征。

案例九——果蠅胚胎和幼蟲發(fā)育3D圖譜

英文標題：High-resolution 3D spatiotemporal transcriptomic maps of developing Drosophila embryos and larvae

發(fā)表期刊：Development Cell

影響因子：10.7

物種樣本：w1118?野生型果蠅，收集其晚期胚胎（產(chǎn)卵后14~16 h和16~18 h，分別稱為E14~16和E16~18）和幼蟲3個發(fā)育階段（L1~L3）

測序策略：空間轉錄組

DOI：10.1016/j.devcel.2022.04.006

利用時空組學技術成功構建了果蠅胚胎和幼蟲的三維空間轉錄組圖譜。借助數(shù)據(jù)三維重構，確定了果蠅晚期胚胎和幼蟲中腸的功能亞區(qū)，發(fā)現(xiàn)幼蟲精巢的時空細胞狀態(tài)動力學變化，并揭示了已知和潛在的轉錄因子在三維空間中的調(diào)控機制。這些研究和發(fā)現(xiàn)提供了全面詳實的數(shù)據(jù)和信息資源，為深入和系統(tǒng)進行果蠅發(fā)育生物學研究奠定基礎。

案例十——人類心臟發(fā)育3D圖譜

英文標題：A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart

發(fā)表期刊：Cell

影響因子：45.5

物種樣本：人類心臟

測序策略：scRNA-seq、空間轉錄組、ISS原位測序

DOI：10.1016/j.cell.2019.11.025

取樣策略：4.5-5 PCW 4張切片，6.5 PCW 9張切片，9 PCW 6張切片，合計19張切片文章構建了單細胞時空水平的發(fā)育中器官的3D轉錄圖譜，這種多轉錄組測序方法可以應用于其他器官發(fā)育的研究中。這一突破性研究使探索組織的整體空間轉錄模式成為可能，探索細胞異質(zhì)性，并選擇性地靶向一些表達模式具有空間異質(zhì)性且造成細胞類型差異的關鍵基因。心臟發(fā)育模型表明，空間、時間信息與單細胞基因表達數(shù)據(jù)的整合對于識別細胞類型之間的關鍵差異、深入分析發(fā)育中的組織是至關重要的。