近日，國際頂級期刊Cell和子刊Developmental Cell，上線了4篇應用Stereo-seq技術的研究文章，揭示其在小鼠、斑馬魚、果蠅、擬南芥模式生物中的應用成果，其中Cell文章詳細介紹了Stereo-seq技術原理和細節(jié)。
近年來，單細胞組學的爆炸式發(fā)展，使得研究人員可以從單個細胞中獲得大量的轉錄組、表觀遺傳和蛋白質組學信息，然而，單細胞測序技術需要將細胞從組織中解離，其中關鍵的細胞空間信息將會丟失。因此，有必要將細胞的基因表達信息和空間位置信息一一對應。繼2020年被Nature Methods評為年度技術方法之后，空間組學（spatial omics）在2022年再次被Nature評為值得關注的七大年度技術之一，其以強大的原位、高通量和精準的空間遺傳表達信息表征能力逐漸“引爆”生命科學界。
時空組學技術Stereo-seq。相較國際同類技術，Stereo-seq通過時空捕獲芯片，結合原位RNA捕獲，實現(xiàn)了500nm的分辨率，同時捕獲面積可達13cm×13cm，成為全球首個同時實現(xiàn)“納米級分辨率”和“厘米級全景視場”的技術，且實現(xiàn)了基因與影像同時分析。與當前其他技術相比，在相同的精度下，Stereo-seq具備更靈敏和更強的mRNA捕獲能力。該技術作為新時代的分子 “顯微鏡”，為重新認知器官結構、生命發(fā)育、物種演化和定義人類疾病提供了底層工具，將推動繼顯微鏡和DNA測序技術以來的生命科學領域第三次科技革命。
此次Cell Press以專輯的形式刊發(fā)Stereo-seq技術及其應用成果，凸顯了其對時空組學的關注?，F(xiàn)將已發(fā)表的4篇研究文章的主要內容和發(fā)現(xiàn)分享如下。
時空轉錄組測序技術Stereo-seq繪制小鼠器官發(fā)生圖譜
Cell[IF: 41.582]
① 結合DNA納米球（DNB）模式陣列和原位RNA捕獲技術，建立了Stereo-seq（SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing）技術，相較當前其他空間轉錄組技術，該技術擁有最大的捕獲面積（最大174.24cm2）、最靈敏的基因捕獲（1,450個UMI/100μm2）和單細胞分辨率；
② 應用Stereo-seq對C57BL/6小鼠胚胎發(fā)育第9.5天（E9.5）至第16.5天（E16.5）產出了共53張矢狀切面的轉錄組圖譜，其中包括來自同一個E16.5胚胎的13張連續(xù)切片，并進一步描述了小鼠胚胎發(fā)育中晚期的器官發(fā)育基因的空間表達模式以及器官發(fā)育的軌跡，構建了小鼠器官發(fā)生時空轉錄組數(shù)據庫（MOSTA，https://db.cngb.org/stomics/mosta/）；
③ 基于核酸染色影像進行細胞邊界識別，獲取了E16.5小鼠全胚胎具有空間位置的單細胞時空轉錄組信息，并在同一張切片上鑒定了4種上皮細胞亞型和6種成骨細胞亞型的空間分布情況，描述了前腦的抑制性神經元從內側神經節(jié)隆起至皮層的遷移軌跡；
④ 在E12.5、E14.5以及E16.5小鼠的背側中腦描述了中腦發(fā)育過程中的細胞分布異質性，并在中腦的腦室區(qū)發(fā)現(xiàn)中腦區(qū)域放射狀膠質細胞向神經細胞祖細胞或膠質細胞祖細胞兩個分支的分化軌跡以及在中腦發(fā)育過程中的時間分布異質性，并找到了決定放射狀膠質細胞分別向兩個分支發(fā)育的關鍵微環(huán)境因子和調控因子；
⑤ 利用Stereo-seq構建的小鼠中晚期的胚胎時空轉錄組圖譜，描述了人類發(fā)育缺陷相關1,959個基因在小鼠胚胎中表達模式，并在單細胞精度下研究了由WNT5A基因突變導致的羅賓諾綜合征（Robinow Syndrome）在小鼠上顎和肢體中累及的細胞類型，證明了應用MOSTA解析發(fā)育過程中疾病相關基因表達的時空窗口和潛在累及細胞和器官方面的潛力。
斑馬魚胚胎發(fā)生過程中基因表達全景圖譜及發(fā)育軌跡的時空映射
Developmental Cell?[IF: 12.270]
① 應用Stereo-seq技術，結合多切片策略，在較高分辨率水平上剖析了斑馬魚早期胚胎發(fā)育中基因表達和調控網絡的時空動態(tài)，為進一步了解脊椎動物的發(fā)育提供了參考；
② 選取受精后24h內6個關鍵發(fā)育時間點（3.3、5.25、10、12、18、24hpf）的斑馬魚胚胎，對總共91張矢狀面冰凍切片進行了Stereo-seq分析，在10×10×15μm3分辨率下（接近單細胞尺寸）總共獲得了139,391個位點（spots），并在此基礎上搭建了斑馬魚早期胚胎發(fā)生時空轉錄組圖譜在線開放資源庫ZESTA(?http://stereomap.cngb.org/zebrafish/data_index);
③ 利用基于計算基因表達空間分布相似性的空間共變基因模塊，探究了空間功能區(qū)域間的相互調控作用；
④ 對每個時間點的Stereo-seq數(shù)據和scRNA-seq數(shù)據進行整合分析，構建了斑馬魚胚胎發(fā)生過程中細胞命運轉變和細胞分子變化的時空發(fā)育軌跡，探索性地研究了細胞空間微環(huán)境與分化方向之間的關聯(lián)；
⑤ 分析了斑馬魚胚胎發(fā)生過程中不同配體-受體對的動態(tài)空間分布，發(fā)現(xiàn)了新的配體-受體對互作模式，提示了潛在的胚胎發(fā)育調控機制。
果蠅胚胎和幼蟲發(fā)育的高分辨率3D時空轉錄組圖譜
Developmental Cell?[IF: 12.270]
① 應用Stereo-seq技術獲取了果蠅晚期胚胎（產卵后14~16h、16~18h）和3個（L1~L3）齡期幼蟲發(fā)育階段的時空轉錄組數(shù)據，轉錄本的空間模式均與之前原位雜交數(shù)據相匹配，并能鑒定到之前未檢測到的轉錄本，為深入研究果蠅跨發(fā)育階段的時空解析轉錄組提供了數(shù)據資源；
② 基于Stereo-seq數(shù)據，通過熱點分析探索了果蠅晚期胚胎和幼蟲中腸的區(qū)域化，揭示了果蠅發(fā)育過程中消化道功能基因的動態(tài)時空特征，并為胚胎發(fā)生過程中中腸區(qū)域化的變化提供了線索；
③ 對L3果蠅幼蟲精巢的一個橫切面進行了亞聚類和空間基因表達分析，鑒定了精子發(fā)生過程中的各種細胞類型，包括不同階段的精原細胞和初級精母細胞，并觀察到分化生殖細胞過程中mRNA豐度的變化；
④ 通過空間SCENIC（single-cell regulatory network inference and clustering）分析果蠅發(fā)育階段的Stereo-seq數(shù)據，在果蠅胚胎和幼蟲樣本中，發(fā)現(xiàn)了先前報道的轉錄因子介導的多個調控因子（如中樞神經系統(tǒng)中的Rbp6，表皮中的grh，脂肪體中的srp，中腸中的Kay，肌肉中的Mef2），并發(fā)現(xiàn)了中樞神經系統(tǒng)特異性CG16779的調控活性，確認了已知的和潛在的空間基因調控網絡；
⑤ 應用果蠅晚期胚胎全部切片的Stereo-seq數(shù)據，在計算機上重建了3D胚胎的時空轉錄組圖譜。
基于scStereo-seq技術揭示擬南芥葉片中區(qū)域特異性細胞亞型和單細胞空間轉錄組分析
Developmental Cell?[IF: 12.270]
① 基于華大自主的Stereo-seq空間轉錄組技術，結合植物細胞具有細胞壁這一特性，建立了廣泛適用于植物的單細胞空間轉錄組技術scStereo-seq（Single-cell SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing），首次在植物研究領域中應用并繪制了擬南芥（Arabidopsis）葉片的單細胞空間轉錄組圖譜；
② 植物單細胞研究中，存在部分細胞亞型因分子特征高度相似，而難以有效地區(qū)分和研究的問題，scStereo-seq應用于擬南芥莖生葉橫切面，成功將高度相似的細胞亞型進行有效區(qū)分和分子特征的解析（如表皮細胞中的上表皮細胞和下表皮細胞，葉肉細胞中的柵欄細胞和海綿細胞）；
③ 首次從單細胞水平揭示了光合作用相關基因（PQL1、LHCA6、PSB29、PPL2、FNR1）的表達水平在空間上呈現(xiàn)從主葉脈到葉邊緣方向上的梯度變化的趨勢；
④? 利用細胞空間位置信息，構建了不同類型細胞的空間發(fā)育軌跡，發(fā)現(xiàn)在維管細胞中，主葉脈區(qū)域的細胞相較于葉邊緣細胞，占有更高比例的分化程度較低的細胞；而在表皮細胞和保衛(wèi)細胞的發(fā)育軌跡未能觀察到明顯的空間分布差異特征。
原文鏈接
1. Spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse organogenesis using DNA nanoball-patterned arrays.
Cell.?https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00399-3.
2. Spatiotemporal mapping of gene expression landscapes and developmental trajectories during zebrafish embryogenesis.?
Developmental Cell.? https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(22)00249-0.
3. High-resolution 3D spatiotemporal transcriptomic maps of developing?Drosophila?embryos and larvae.?
Developmental Cell.?https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(22)00246-5.
4. The single-cell stereo-seq reveals region-specific cell subtypes and transcriptome profiling in?Arabidopsis?leaves.?
Developmental Cell.?https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(22)00251-9.
圖文來源：華大時空公眾號
