組織切片的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)所描繪出復(fù)雜二維圖譜，其中的細(xì)胞類型和結(jié)構(gòu)分布，實(shí)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(fù)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(dǎo)航定位。同時也可應(yīng)用于胚胎發(fā)育、腦科學(xué)及再生等研究領(lǐng)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(diǎn)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(zhuǎn)錄組技術(shù)如何為胚胎發(fā)育、腦科學(xué)、再生等研究領(lǐng)域帶來新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)吧！

案例一——人類原腸期胚胎3D圖譜

英文標(biāo)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(zhuǎn)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(jìn)行冷凍切片，每間隔1片保留切片作為實(shí)驗(yàn)樣本，總計(jì)62張橫向切片

在本研究中，通過構(gòu)建完整的CS8人類胚胎3D模型，將單個細(xì)胞的空間信息與其基因表達(dá)譜相結(jié)合，系統(tǒng)描繪了胚胎形態(tài)、細(xì)胞類群、空間位置和轉(zhuǎn)錄組特征，準(zhǔn)確注釋了不同的細(xì)胞亞型，深度解析了重要胚外組織羊膜細(xì)胞發(fā)育過程和卵黃囊造血譜系特化，重點(diǎn)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(diǎn)。這項(xiàng)研究不僅可以確定人類原腸胚形成過程的關(guān)鍵細(xì)胞和分子特征，還可以指導(dǎo)今后干細(xì)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(xì)胞三維時空多組學(xué)圖譜

英文標(biāo)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(zhuǎn)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(diǎn)采集幼蟲樣本；蛹化后每隔12 h采集一次蛹樣。共計(jì)43個胚胎、9個幼蟲、5個蛹，收集7或8 μm厚度的矢狀面進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組。

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了Flysta3D——一個全面的時空多組學(xué)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(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)和單細(xì)胞染色質(zhì)可及性信息。通過整合這些多維數(shù)據(jù)，構(gòu)建了揭示組織發(fā)育詳細(xì)概況的細(xì)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(xué)角度分析了基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、細(xì)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(xì)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(xì)胞圖譜

英文標(biāo)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(zhuǎn)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(jìn)行空間轉(zhuǎn)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(jìn)行snRNA-seq

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用snRNA-seq和空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，生成了包含308個細(xì)胞簇空間信息的小鼠腦圖譜，單細(xì)胞分辨率涉及600多萬個細(xì)胞以及29,655個基因。發(fā)現(xiàn)了新的星形膠質(zhì)細(xì)胞簇，并證明了不同的細(xì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)錄組圖譜。

案例四——小鼠器官發(fā)生的三維圖譜

英文標(biāo)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(zhuǎn)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(jìn)行10x Visium空間轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提供了一個詳細(xì)的關(guān)于器官發(fā)育動態(tài)本質(zhì)的分子注釋，空間細(xì)胞相互作用，胚胎軸，以及哺乳動物發(fā)育背后的細(xì)胞命運(yùn)分化，這將為精確的器官工程和基于干細(xì)胞的再生醫(yī)學(xué)鋪平道路。

案例五——獼猴大腦皮層細(xì)胞三維圖譜

英文標(biāo)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(zhuǎn)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(jìn)行snRNA-seq+一張10 μm切片進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組+兩張臨片切片進(jìn)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(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組闡明大腦皮層的細(xì)胞組織是理解大腦結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)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(zhuǎn)錄組學(xué)分析，獲得了264種轉(zhuǎn)錄組定義的皮質(zhì)細(xì)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(xì)胞類型的皮質(zhì)層和區(qū)域偏好，以及細(xì)胞類型組成和“鄰域復(fù)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(xì)胞類型的區(qū)域分布與區(qū)域等級水平之間的關(guān)系。來自人類、獼猴和小鼠皮層的轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)的跨物種比較進(jìn)一步揭示了靈長類特異性細(xì)胞類型在第4層富集，其標(biāo)記基因以區(qū)域依賴的方式表達(dá)。該研究數(shù)據(jù)為理解靈長類動物大腦的進(jìn)化、發(fā)育、衰老和發(fā)病機(jī)制提供了細(xì)胞和分子基礎(chǔ)。

案例六——小鼠胚胎器官發(fā)生時的時空轉(zhuǎn)錄組圖譜

 

英文標(biāo)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(zhuǎn)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(shù)構(gòu)建了完整胚胎E8.5和E9.0以及部分E9.5胚胎的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜。為了支持該項(xiàng)研究的應(yīng)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(dá)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(zhuǎn)錄特性。綜上所述，文章提出了一個用于整個胚胎結(jié)構(gòu)和突變表型時空研究的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算框架。

案例七——地中海渦蟲再生3D圖譜

英文標(biāo)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(zhuǎn)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(diǎn)12~17張切片

在本研究中，研究人員首先繪制了具有強(qiáng)大再生能力地中海渦蟲六個不同再生時期的空間轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并構(gòu)建了各類細(xì)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(xì)胞亞群的分化軌跡，鑒定到一類以osr2標(biāo)記的新多能細(xì)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(jìn)一步發(fā)掘影響渦蟲再生的關(guān)鍵基因，利用構(gòu)建的三維空間模型，系統(tǒng)地解析了具有空間及細(xì)胞特異性分布的基因表達(dá)模塊，確定了與傷口區(qū)域或極性（背腹側(cè)或前后軸）相關(guān)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(biāo)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(shù)

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

取樣策略：非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)腫瘤塊連續(xù)切下34個5 μm切片：分別進(jìn)行二次諧波SHG成像、H&E染色、空間轉(zhuǎn)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(xì)胞的960個癌癥相關(guān)基因的原位定量與組織力學(xué)成分的測量相結(jié)合，三維細(xì)胞鄰域?qū)⒛[瘤微環(huán)境細(xì)分為腫瘤、基質(zhì)和免疫多細(xì)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(xì)胞中檢測到的促侵襲性上皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)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(xì)胞和巨噬細(xì)胞特異性地與侵襲前腫瘤細(xì)胞共定位，它們的多細(xì)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(xì)胞生態(tài)位的3D擴(kuò)展和促進(jìn)生態(tài)位特異性細(xì)胞-細(xì)胞相互作用的量化(包括可藥物免疫檢查點(diǎn))，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(biāo)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(zhuǎn)錄組

DOI：10.1016/j.devcel.2022.04.006

利用時空組學(xué)技術(shù)成功構(gòu)建了果蠅胚胎和幼蟲的三維空間轉(zhuǎn)錄組圖譜。借助數(shù)據(jù)三維重構(gòu)，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(xì)胞狀態(tài)動力學(xué)變化，并揭示了已知和潛在的轉(zhuǎn)錄因子在三維空間中的調(diào)控機(jī)制。這些研究和發(fā)現(xiàn)提供了全面詳實(shí)的數(shù)據(jù)和信息資源，為深入和系統(tǒng)進(jìn)行果蠅發(fā)育生物學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

案例十——人類心臟發(fā)育3D圖譜

英文標(biāo)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(zhuǎn)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(jì)19張切片文章構(gòu)建了單細(xì)胞時空水平的發(fā)育中器官的3D轉(zhuǎn)錄圖譜，這種多轉(zhuǎn)錄組測序方法可以應(yīng)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(zhuǎn)錄模式成為可能，探索細(xì)胞異質(zhì)性，并選擇性地靶向一些表達(dá)模式具有空間異質(zhì)性且造成細(xì)胞類型差異的關(guān)鍵基因。心臟發(fā)育模型表明，空間、時間信息與單細(xì)胞基因表達(dá)數(shù)據(jù)的整合對于識別細(xì)胞類型之間的關(guān)鍵差異、深入分析發(fā)育中的組織是至關(guān)重要的。