科研盘点|空间转录组和单细胞转录组整合研究应用汇总
单细胞转录组测序能很好的揭示了组织异质性，但由于获取细胞悬液时对组织进行了酶解，从而导致组织空间位置信息丢失。而空间转录组测序技术可以同时提供空间位置信息和基因表达信息，但检测的单位不是单细胞水平，综合运用单细胞检测技术和空间转录组检测技术将两种检测结果进行联合分析，对空间转录组的检测结果进行精确的细胞类型注释，从而在不同应用场景中更加精准的揭示细胞相互作用和组织理解。
空间转录组和单细胞转录组整合研究应用场景
接下来小编将结合近期发表文章，分享两种技术结合可以解决的科学问题。
结直肠癌肝转移研究
发表杂志：Cancer Discovery( IF: 39.397 )
发表时间：2021.08
肝转移是结直肠癌死亡的主要原因，表现出高度异质性和抑制性的免疫微环境。免疫细胞如何在空间上协调大肠癌肝转移（CRLM）的进展，转移性细胞微环境是否与原发细胞不同，目前仍不清楚。本研究使用单细胞转录组测序和空间转录组学对97个匹配样本进行了测序。转移性微环境对MRC1+CCL18+M2-like巨噬细胞等免疫抑制细胞发生了显著的空间重编程。进一步开发了scMetabolism，一种量化单细胞代谢的分析策略，并观察到这些巨噬细胞的代谢活性增强，新辅助化疗可以阻断这种状态，恢复应答患者的抗肿瘤免疫平衡，而无反应性患者则恶化为更具抑制性的状态。本研究工作描述了转移的免疫进化，并揭示了肿瘤如何对新辅助化疗做出反应。
单细胞转录组和空间转录组学揭示了CRLM的免疫景观
肠道发育机制研究
发表杂志：Cell ( IF: 41.582 )
发表时间：2021.02
本研究将单细胞转录组测序和空间转录组测序进行联合，绘制了随时间变化的肠道形态发生。确定了101个细胞状态，包括上皮细胞和间充质祖细胞群以及与关键形态发生相关的重要阶段过程。描述了隐窝-绒毛轴形成的原理，神经、血管、间充质形态发生和肠道的免疫种群，鉴定了发育中的成纤维细胞和肌纤维细胞亚型的分化层次，并阐述了它们的不同功能。明确了佩尔斑和肠道相关淋巴组织的起源，并描述了位置特异性免疫程序。本研究使用这一资源来呈现了形态发生梯度的无偏分析，这一梯度能够指导细胞分化的连续波并定义与罕见发育性肠道疾病相关的细胞和位置，汇编了一个公开可用的在线资源，即胎儿肠道发育的时空分析资源（STAR-FINDer），以期促进后续的相关研究工作。
肠发育图谱研究技术路线
急性呼吸窘迫综合征靶点研究
发表杂志：Nature( IF: 49.962 )
发表时间：2020.11
本文中研究人员以甲型流感病毒感染小鼠为研究急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的模型，对肺部CD45阴性细胞进行了单细胞转录组测序分析，分离出3个主要的细胞群，发现了成纤维细胞随着感染时间呈现出明显的转录状态改变，并根据基因表达情况将其分为3个亚群（resting，DRFibs，IRFibs），通过在呼吸窘迫最严重的时候对小鼠肺部切片进行空间转录组测序分析，发现ADAMTS4的表达限制在肺泡附近的炎症部位，提示了远端气道DRFibs表达ADAMTS4 是一个重要的反应节点；最后，研究人员在病毒感染患者中还发现ADAMTS4 的水平与感染的严重程度有关。综上，ADAMTS4 可以作为一个包括急性呼吸窘迫综合征在内相关疾病的治疗靶点。
严重甲型流感病毒感染过程中CD45阴性细胞的单细胞基因表达谱分析
人鳞状细胞癌研究
发表杂志：Cell ( IF: 41.582 )
发表时间：2020.07
为了揭示皮肤鳞状细胞癌（cSCC） 的细胞组成和结构，本研究结合单细胞转录组测序、空间转录组和多路复用离子束成像技术，对一系列人皮肤鳞状细胞癌和与之匹配的正常皮肤进行分析。结果显示cSCC存在4种肿瘤细胞亚群， 3种与正常组织一致，第4种是癌症所特有的肿瘤特异性角化细胞（TSK） ，并且定位于维管组织的生态位。整合单细胞测序和空间数据映射配体-受体网络到特异的细胞类型，揭示了TSK细胞是细胞通讯的中心。本研究还发掘了多种潜在的免疫抑制特征，包括Treg与CD8细胞在分隔的肿瘤间质中的共定位。最后，通过人癌细胞的异种移植单细胞特征和体内CRISPR筛选确定了肿瘤形成中特殊肿瘤亚群富集基因网络的重要作用。这些数据明确了cSCC和基质细胞亚群互作的空间生态位以及参与癌症的基因网络。
研究技术流程图及cSCC和正常皮肤的单细胞转录组细胞图谱
参考文献：
1. Longo SK, Guo MG, Ji AL,Khavari PA. Integrating single-cell and spatial transcriptomics to elucidateintercellular tissue dynamics.Nat Rev Genet. 2021; 22(10): 627-644.
2. Wu Y, Yang S, Ma J, etal. Spatiotemporal immune landscape of colorectal cancer liver metastasis at single-celllevel.Cancer Discov. 2021.
3. Fawkner-Corbett D,Antanaviciute A, Parikh K, et al. Spatiotemporal analysis of human intestinaldevelopment at single-cell resolution. Cell. 2021; 184(3): 810-826.
4. Boyd DF, Allen EK,Randolph AG, et al. Exuberant fibroblast activity compromises lungfunction via ADAMTS4. Nature. 2020; 587(7834): 466-471.
5. Ji AL, Rubin AJ, ThraneK, et al. Multimodal Analysis of Composition and Spatial Architecture in HumanSquamous Cell Carcinoma. Cell. 2020; 182(2):497-514.
王盼飞 | 文案
