Cell、NG和NC高分文章收录！带你玩转3D时空图谱

组织切片的空间转录组学所描绘出复杂二维图谱，其中的细胞类型和结构分布，实际上也只不过是其三维图谱特征信息的碎片而已。以三维角度的方式观察动物复杂器官/肿瘤的三维空间数据，并按照不同的诊断和治疗目的，在肿瘤内部辅助导航定位。同时也可应用于胚胎发育、脑科学及再生等研究领域，能够帮助我们更好地理解器官功能，解析早期胚胎发育的“黑匣子”。

目前发表了许多3D时空图谱方向的文章，本期我们盘点了10篇经典的时空3D图谱文章，这些成果发表期刊有Cell(IF=45.5)、Nature Genetics(IF=31.7)、Nature Communications（IF=14.7）等！研究的物种涉及人、鼠、果蝇、猕猴、地中海涡虫等，涉及组织部位主要是胚胎、脑、心脏、虫体等。接下来，我们一起来看看空间转录组技术如何为胚胎发育、脑科学、再生等研究领域带来新的科学发现吧！

案例一——人类原肠期胚胎3D图谱

英文标题：3D reconstruction of a gastrulating human embryo

发表期刊：Cell

影响因子：45.5

物种样本：CS8人类胚胎

测序策略：空间转录组

DOI：10.1016/j.cell.2024.03.041

取样策略：CS8人类胚胎沿着前后轴(A-P)进行冷冻切片，每间隔1片保留切片作为实验样本，总计62张横向切片

在本研究中，通过构建完整的CS8人类胚胎3D模型，将单个细胞的空间信息与其基因表达谱相结合，系统描绘了胚胎形态、细胞类群、空间位置和转录组特征，准确注释了不同的细胞亚型，深度解析了重要胚外组织羊膜细胞发育过程和卵黄囊造血谱系特化，重点发现了参与早期发育的不同信号通路采用不同的策略沿胚胎A-P轴建立差异激活的特点。这项研究不仅可以确定人类原肠胚形成过程的关键细胞和分子特征，还可以指导今后干细胞衍生的人类胚胎模型的生成。

案例二——从果蝇胚胎发育到蜕变的单细胞三维时空多组学图谱

英文标题：A single-cell 3D spatiotemporal multi-omics atlas from Drosophila embryogenesis to metamorphosis

发表期刊：bioRxiv

物种样本：果蝇胚胎、幼虫和蛹

测序策略：空间转录组、scRNA-seq、scATAC-seq

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

取样策略：胚胎发生过程的24小时内，每隔0.5至2小时收集一次胚胎；3个幼虫期的每个早/晚时间点采集幼虫样本；蛹化后每隔12 h采集一次蛹样。共计43个胚胎、9个幼虫、5个蛹，收集7或8 μm厚度的矢状面进行空间转录组。

在本研究中，研究团队构建了Flysta3D——一个全面的时空多组学图谱，涵盖了模式生物果蝇从胚胎到蛹的发育历程。数据集包括3D单细胞空间转录组学、单细胞转录组学和单细胞染色质可及性信息。通过整合这些多维数据，构建了揭示组织发育详细概况的细胞状态轨迹。以中枢神经系统(CNS)和中肠为研究对象，从多组学角度分析了基因调控网络、细胞类型多样性和形态变化的时空动态。这个广泛的图谱提供了前所未有的丰富资源，并作为一个系统的平台，以超高时空分辨率集成单细胞数据来研究果蝇的发育。

案例三——小鼠大脑的空间分辨分子和细胞图谱

英文标题：Spatially resolved molecular and cellular atlas of the mouse brain

发表期刊：bioRxiv

物种样本：小鼠半脑

测序策略：空间转录组、snRNA-seq

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

取样策略：两只小鼠半脑，每只间隔100 μm取一张10 μm切片进行空间转录组，小鼠#1 123张切片、小鼠#2 72张切片，大脑分区域解剖进行snRNA-seq

在本研究中，研究团队使用snRNA-seq和空间转录组技术，生成了包含308个细胞簇空间信息的小鼠脑图谱，单细胞分辨率涉及600多万个细胞以及29,655个基因。发现了新的星形胶质细胞簇，并证明了不同的细胞簇表现出对皮层亚区的偏好。鉴定出155个基因在脑干中表现出区域特异性，513个长链非编码RNA在成鼠大脑中表现出区域特异性。基于空间转录组信息的脑区分割与传统方法存在较大的重叠，还发现了411个在发育过程中具有时空特异性的转录因子调控。因此，该研究发现了具有时空特异性的基因和调控子，并提供了小鼠大脑的高分辨率空间转录组图谱。

案例四——小鼠器官发生的三维图谱

英文标题：Three-dimensional molecular architecture of mouse organogenesis

发表期刊：Nature Communications

影响因子：14.7

物种样本：小鼠胚胎

测序策略：空间转录组、scRNA-seq(公共数据)

DOI：10.1038/s41467-023-40155-7

取样策略：E13.5小鼠胚胎沿颅尾轴连续冷冻切片，从中选10张10 μm切片进行10x Visium空间转录组；雌性胚胎(E3)获得了4个切片，以更好地覆盖性别分化在本研究中，研究人员展示了小鼠胚胎第13.5天所有主要器官的空间转录组图谱，并通过堆叠切片提供了胚胎模式分子调控的三维渲染。通过将空间图谱与相应的单细胞转录组学数据相结合，提供了一个详细的关于器官发育动态本质的分子注释，空间细胞相互作用，胚胎轴，以及哺乳动物发育背后的细胞命运分化，这将为精确的器官工程和基于干细胞的再生医学铺平道路。

案例五——猕猴大脑皮层细胞三维图谱

英文标题：Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in the macaque cortex

发表期刊：Cell

影响因子：45.5

物种样本：猕猴大脑左半球皮质组织

测序策略：空间转录组、snRNA-seq

DOI：10.1016/j.cell.2023.06.009

取样策略：每隔500 μm取一次：包含两个50 μm的大脑样品切片进行snRNA-seq+一张10 μm切片进行空间转录组+两张临片切片进行尼氏染色。猕猴#1 119张切片、猕猴#2 19张切片、猕猴#3 23张切片，共161张进行空间转录组阐明大脑皮层的细胞组织是理解大脑结构和功能的关键。在本研究中，研究人员利用大规模单核RNA测序和143个猕猴皮质区域的空间转录组学分析，获得了264种转录组定义的皮质细胞类型的综合图谱，并绘制了它们在整个皮质的空间分布。表征了谷氨酸能、氨基丁酸能和非神经元细胞类型的皮质层和区域偏好，以及细胞类型组成和“邻域复杂性”的区域差异。值得注意的是，研究人员发现了视觉和体感系统中各种细胞类型的区域分布与区域等级水平之间的关系。来自人类、猕猴和小鼠皮层的转录组学数据的跨物种比较进一步揭示了灵长类特异性细胞类型在第4层富集，其标记基因以区域依赖的方式表达。该研究数据为理解灵长类动物大脑的进化、发育、衰老和发病机制提供了细胞和分子基础。

案例六——小鼠胚胎器官发生时的时空转录组图谱

 

英文标题：Spatiotemporal transcriptomic maps of whole mouse embryos at the onset of organogenesis

发表期刊：Nature Genetics

影响因子：31.7

物种样本：小鼠早期胚胎

测序策略：空间转录组Slide-seq

DOI：10.1038/s41588-023-01435-6

取样策略：小鼠E8.5期胚胎：2个胚胎，15张10 μm切片，间隔30 μm；小鼠E9.0期胚胎：1个胚胎，26张10 μm切片，间隔20 μm；小鼠E9.5期胚胎：3个胚胎，13张10 μm切片在本研究中，研究人员使用Slide-seq技术构建了完整胚胎E8.5和E9.0以及部分E9.5胚胎的空间转录组图谱。为了支持该项研究的应用，研究人员开发了sc3D——一个重建和探索三维“虚拟胚胎”的工具，它可以定量研究区域化的基因表达模式。发育中的神经管主胚轴的测量揭示了几个以前未注释的基因具有不同的空间模式。文章还描述了Tbx6突变胚胎中出现的“异位”神经管的相互冲突的转录特性。综上所述，文章提出了一个用于整个胚胎结构和突变表型时空研究的实验和计算框架。

案例七——地中海涡虫再生3D图谱

英文标题：Spatiotemporal transcriptomic atlas reveals the dynamic characteristics and key regulators of planarian regeneration

发表期刊：Nature Communications

影响因子：14.7

物种样本：地中海涡虫

测序策略：空间转录组、scRNA-seq

DOI：10.1038/s41467-023-39016-0

取样策略：地中海涡虫截肢后0小时、6小时、12小时、24小时、36小时、3天、7天，每个时间点12~17张切片

在本研究中，研究人员首先绘制了具有强大再生能力地中海涡虫六个不同再生时期的空间转录组和单细胞转录组图谱，并构建了各类细胞类型和组织类型的空间三维分布模型。通过解析全能干细胞亚群的分化轨迹，鉴定到一类以osr2标记的新多能细胞亚群，并且观察到在辐射处理下，敲低osr2的涡虫出现延迟再生表型。与此同时，为了进一步发掘影响涡虫再生的关键基因，利用构建的三维空间模型，系统地解析了具有空间及细胞特异性分布的基因表达模块，确定了与伤口区域或极性（背腹侧或前后轴）相关的多个特征模块。

案例八——肺部肿瘤的三维高分辨率分子图谱

英文标题：High-resolution molecular atlas of a lung tumor in 3D

发表期刊：bioRxiv

物种样本：人类肺癌

测序策略：CosMx空间原位成像技术

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

取样策略：非小细胞肺癌(NSCLC)肿瘤块连续切下34个5 μm切片：分别进行二次谐波SHG成像、H&E染色、空间转录组（1000 Panel CosMx空间分子成像系统）该研究展示了侵袭性人肺癌常规临床样本的3D空间图谱，通过将跨340,000个细胞的960个癌症相关基因的原位定量与组织力学成分的测量相结合，三维细胞邻域将肿瘤微环境细分为肿瘤、基质和免疫多细胞生态位。有趣的是，伪时间分析表明，在基质浸润性肿瘤细胞中检测到的促侵袭性上皮细胞向间充质细胞转化(EMT)已经发生在肿瘤表面的一个区域。在那里，肌成纤维细胞和巨噬细胞特异性地与侵袭前肿瘤细胞共定位，它们的多细胞分子特征确定了生存时间较短的患者。与2D相比，3D邻域通过识别树突状生态位，捕捉T细胞生态位的3D扩展和促进生态位特异性细胞-细胞相互作用的量化(包括可药物免疫检查点)，改善了免疫生态位的表征。

案例九——果蝇胚胎和幼虫发育3D图谱

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

发表期刊：Development Cell

影响因子：10.7

物种样本：w1118 野生型果蝇，收集其晚期胚胎（产卵后14~16 h和16~18 h，分别称为E14~16和E16~18）和幼虫3个发育阶段（L1~L3）

测序策略：空间转录组

DOI：10.1016/j.devcel.2022.04.006

利用时空组学技术成功构建了果蝇胚胎和幼虫的三维空间转录组图谱。借助数据三维重构，确定了果蝇晚期胚胎和幼虫中肠的功能亚区，首次发现幼虫精巢的时空细胞状态动力学变化，并揭示了已知和潜在的转录因子在三维空间中的调控机制。这些研究和发现提供了全面详实的数据和信息资源，为深入和系统进行果蝇发育生物学研究奠定基础。

案例十——人类心脏发育3D图谱

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

发表期刊：Cell

影响因子：45.5

物种样本：人类心脏

测序策略：scRNA-seq、空间转录组、ISS原位测序

DOI：10.1016/j.cell.2019.11.025

取样策略：4.5-5 PCW 4张切片，6.5 PCW 9张切片，9 PCW 6张切片，合计19张切片文章构建了第一个单细胞时空水平的发育中器官的3D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。