单细胞转录组+空间转录组构建人类心脏发育3D图谱

前面我们简单介绍了空间转录组，今天我们来分享一篇相关应用。

研究背景

心脏是人类胚胎中的第一个功能性实体器官，从中胚层开始发育到心管、心腔、心肌、隔膜以及最后的动脉、肺动脉和心脏隔间的形成，这一系列复杂的过程，是基因表达按照时间顺序相互作用的结果，并与发育各阶段的空间和功能程序相一致。然而，前期的人类和小鼠心脏发育研究都没有很好地解决心脏基因表达的空间程序。

方法流程

本文采集了妊娠早期三个阶段(4.5–5，6.5，9周)的心脏组织样本，依次采用空间转录组学(ST)、单细胞转录组测序(scRNA-seq)和原位靶向测序技术(ISS)进行分层研究，最终构建了妊娠早期三个阶段心脏发育的3D可视化转录图谱。

研究结果

1、 人心脏发育过程中基因表达的时空动力学

与转录组相比，用免疫荧光来研究蛋白质表达的时空性是有明显局限性的。本文采集了胚胎三个时间段的心脏组织切片进行空间转录组测序，然后对这三个时间点的3115个spots基因表达进行降维和聚类，发现了10个具有时空保守性的细胞群，再将这些spots映射回组织切片的原始坐标中。通过对这些不同组织学位置的细胞群进行差异表达和功能富集等分析，研究者发现，在分析这三个胚胎发育时间段内，空间基因表达程序就已经建立，并贯穿于整个胚胎发育过程。心脏不同区域之间的基因表达差异比时间点之间的差异更为明显。

2、单细胞转录组测序研究心脏发育不同阶段异质性

取中间点(6.5-7周)的细胞，并将组织分为两个不同区域进行单细胞转录组测序。1个区域包含心室出口道(OFT)，房室(AV)结构和大部分心房，另一个包含心室结构。通过聚类和marker基因表达，在这两个区域发现了多种已知的心脏细胞类型，如：心肌细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞和内皮细胞等。心脏上部区域具有更高的细胞多样性。

3、构建发育中的心脏表达图谱

为阐明人类胚胎心脏发育过程中不同细胞类型在空间上的分布以及区域异质性问题，文章将原位杂交应用到空间转录测序的三个样本中，实现了在单细胞水平进行基因表达时空性的研究。根据空间转录和单细胞转录组测序结果，结合前期研究报道，筛选了69个对心脏发育比较重要的基因，作为原位测序panel。用这69个基因对单细胞测序数据集重新聚类，大部分细胞能聚类到初始的亚群中。最后，结合ISS和pciSeq方法创建了一个完整的胚胎心脏发育空间图谱。

4、通过时空分析解决细胞类型相似性问题

ISS分析的空间基因表达模式与ST和scRNA-seq结果基本一致。此外借助ISS技术，还能让我们加深对单细胞结果的理解。比如，文章剖析了单细胞聚类的心室衍生细胞(EPDCs)、四个成纤维细胞和两个内皮细胞亚群分别在空间位置和功能上的特异性，这些都是前期单细胞研究未能做到的部分。

研究意义

文章构建了目前为止第一个单细胞时空水平的发育中器官的转录图谱，这种多转录组测序方法可以应用于其他器官发育的研究中。这一突破性研究使探索组织的整体空间转录模式成为可能，探索细胞异质性，并选择性地靶向一些表达模式具有空间异质性且造成细胞类型差异的关键基因。心脏发育模型表明，空间、时间信息与单细胞基因表达数据的整合对于识别细胞类型之间的关键差异、深入分析发育中的组织是至关重要的。

参考文献

Asp M, Giacomello S, Larsson L, et al. A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart[J]. Cell, 2019, 179(7): 1647-1660. e19.