单细胞转录组技术作为目前科研领域的一大热门，在揭示细胞异质性，发现新的细胞亚群具有重要意义。但是，在组织解离的过程中，丢失了细胞在组织中的空间位置信息。空间转录组技术的出现，弥补了这一缺陷。结合单细胞和空间转录组技术，可以碰撞出不一样的火花，在挖掘出更多信息的同时，大幅度提升文章档次。

下面，小编以一篇Nature文章为例，分享单细胞和空间转录组技术联合分析的应用。

白血病，很多人都不会感到陌生，骨髓移植、骨髓穿刺、不治之症、这些都是白血病的标签，随之带来的高昂治疗费，也让很多患者家庭不堪重负。从18年的电影《我不是药神》到22年的电视剧《亲爱的小孩》，都从不同层面揭示了由于匹配供体的缺乏以及脐带血中干细胞数量较少，从而导致血液病和免疫系统疾病的治疗受到限制的窘境。

造血干细胞（haematopoietic stem cells，HSC）是一类具有自我更新和分化能力的细胞，在维系人体血液系统功能中发挥重要作用。为了克服供体的局限性，很多研究人员试图利用人类多能干细胞（hPSCs）实现在体外诱导生成造血干细胞。已有的研究聚焦于阐释HSC的起源与早期发育，对HSC产生的具体步骤尚不明确，但就在今年4月，美国加州大学洛杉矶分校在Nature杂志发文“Mapping human haematopoietic stem cells from haemogenic endothelium to birth”，结合单细胞转录组技术和空间转录组技术，详细全面地绘制了妊娠早期到出生阶段的HSC发育图谱，为人们在实验室中生产功能齐全的HSC提供了蓝图。

【发表期刊】Nature 

【影响因子】69.504 

【发表单位】加州大学洛杉矶分校

研究背景 

发育性造血功能由多轮血细胞的产生组成，最终产生能自我更新的HSC。遗憾的是目前尚不清楚人类HSC产生的具体步骤，导致无法从人类多能干细胞中区分HSC，从而影响了HSC的移植和一些疾病模型的研究。

研究路线

主要结果

新生HSC分子特性

为了鉴定新生的人类HSC，作者对来自3个胚胎的CS14-15（Carnegie stages）时期主动脉-性腺-中肾（aorta-gonad-mesonephros，AGM）区域进行了单细胞转录组测序（scRNA-seq），发现了一个符合人类HSC预期特征的亚群，该亚群特异性地表达HLF基因。

为识别新生HSC的分子特征，研究者将HSC亚群与其他AGM亚群进行了比较，生成了一个新生HSC的特征基因集。随后，为了确定其他组织是否含有造血干细胞，通过scRNA-seq分析，并且根据RUNX1+HOXA9+MLLT3+MECOM+HLF+SPINK2+共表达特征，发现HSC存在于C14-AGM、胎盘、卵黄囊，脐带和卵黄血管，在肝脏、头和心脏中数目稀少。这表明，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。

肝脏内HSC的成熟

为了确定HSC在肝脏内定植的时间，作者分析了不同时期AGM区域和肝脏内HSC特征基因的表达。HLF基因的定量结果显示，HSC大约在6周向肝脏转移。

随后，作者系统地评估了HSC的成熟情况。通过对转录因子的伪时序分析，确认了HSC成熟过程中存在时间调控程序。进一步分析显示，胚胎属性、增殖活性、氧化磷酸化、葡萄糖和核苷酸代谢等功能在肝细胞HSC中逐渐受到抑制，反映了其向稳态的转变；抗原呈递类基因，尤其是MHC II类基因，则在HSC成熟过程中显著上调。此外，作者还发现HSC在8周开始成熟，后续针对肝和脐带血的流式细胞技术分析也证实了这一结果。

HSC的起源

为了确定人类HSC的前体细胞，作者使用UMAP分析和拟时分析，揭示了动脉内皮细胞向HSC的转变。

针对高变基因的无监督聚类分析发现，生血内皮细胞的转录程序经历了从上皮细胞到造血细胞的过渡。scRNA-seq无法获得细胞的空间位置信息，为了可视化HSC的出现，作者对CS15d时期胚胎的多个部位进行空间转录组分析，结合免疫荧光分析结果，证明了HSC出现于主动脉内造血窦中。

为了进一步研究生血内皮细胞向HSC转化的过程，作者比较了CS13-17时期AGM数据和CS10-11的胚胎和卵黄囊数据，发现可转化为HSC的生血内皮细胞来源于代谢静息状态下的IL33+ALDH1A1+动脉内皮细胞。

体外生成AGM样造血干/祖细胞

为了评估多能干细胞向HSC的分化并识别其体内的对应细胞，作者对体外生成的两种造血细胞进行了scRNA-seq测序。

通过与人体内造血细胞的scRNA-seq数据进行比较，发现HLF+SPINK2+造血干/祖细胞与未成熟的AGM和胚胎外HSC比较相似。然而，一些基因（ALDH1A1，Wnt和TGFβ/BMP抑制剂）的表达缺失或降低，说明内皮细胞向造血细胞转化的信号通路存在差异。

此外，体外培养的造血干/祖细胞也缺少HSC成熟的分子特征，这些结果都表明了目前尚无法在体外产生功能性的HSC。

研究结论 

本研究结合单细胞转录组技术和空间转录组技术，绘制了人类从早期妊娠到出生前的HSC发育图谱，揭示了HSC的起源以及在发育过程中向不同位置迁移的过程。研究描绘了HSC不同发育阶段相关的分子特征，将为后续体外培养可移植的功能性HSC提供依据。

参考文献

[if !supportLists]1、[endif]Calvanese V, Capellera-Garcia S, Ma F, et al. Mapping human haematopoietic stem cells from haemogenic endothelium to birth[J]. Nature, 2022, 604(7906): 534-540.