科研猫 2022-05-04 17:20
空间转录组技术（Spatial transcriptomic technologies）的提出以及实现有助于对不同组织结构中的细胞组成以及转录特征进行解析，但是想要对原位细胞类型进行全面的定位和刻画仍然是一个巨大的挑战。原因是器官与组织中的细胞类型众多，这些细胞类型以细微的转录差异为标志，在不同的组织中具有一定的特殊化。想要解决这一问题，首先需要对分离组织中的细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）从而识别不同的细胞类型，然后根据空间转录谱识别出不同的细胞类型到其组织原位。目前已有一些空间转录组技术，但是这些方法用于分析复杂组织中的细胞类型的敏感性仍然不够。
01Cell2location
为了解决上述问题，英国Wellcome Sanger研究所的研究人员在Nature Biotechnology上发表了题为“Cell2location maps fine-grained cell types inspatial transcriptomics”的论文，建立了能够对不同组织结构中进行精细空间转录组分析的新工具Cell2location，该工具基于贝叶斯模型，可以整合空间转录组及单细胞数据，全面地在不同组织中定位各种细分的细胞类型。
Cell2location可以处理复杂的实验结果，对多个scRNA-seq和空间转录组数据集进行联合分析。该模型的独特之处在于，它采用了一种分层设计，利用不同组织位置的统计优势，从而产生高分辨率和高灵敏度的细胞类型图谱。在建立该方法后，作者们对Cell2location在包括脑部、淋巴结以及肠道三种不同组织的建立精细空间转录组图谱的能力与现有的一些方法进行对比，验证了该方法的卓越性能。
Cell2location基于Python开发，项目细节公布在Github（https://github.com/BayraktarLab/cell2location#Installation）上可供下载。
02案例分享
单细胞转录组测序与空间转录组测序联合分析是一个热门的研究方向，综合两种技术，可以得到单细胞的亚群分类，进而对这些细胞在空间进行定位，亦可对空间转录组的位置区域中的细胞类型进行注释，实现“双剑合璧”的效果。下面便是利用Cell2location方法将两种技术联合的案例。
在这项研究中，研究者通过使用单细胞和空间转录分析，在育龄妇女月经周期的增殖和分泌阶段询问人类子宫内膜细胞的细胞状态和空间定位。
开发了 CellPhoneDB v.3.0 来测量细胞间通讯，同时考虑到细胞的空间坐标，并使用该工具来定义管腔和腺上皮微环境中的细胞信号传导。
定义了 WNT 和 NOTCH 信号在调节向两种主要上皮谱系（纤毛和分泌）分化中的互补作用。
以单细胞分辨率分析三维子宫内膜类器官，以表征其体外激素反应，并设计一个计算工具包，将结果与体内观察到的结果进行比较，以对该模型系统进行基准测试。
最后，通过调节类器官培养物中的 WNT 和 NOTCH 通路，我们开发了谱系特异性子宫内膜上皮细胞，并确定了它们对卵巢激素反应的分子事件。
研究首先用单细胞及单细胞核测序获得单细胞转录组数据，获得了14个细胞亚群，主要分成五类不同的细胞，即免疫细胞、上皮细胞、内皮细胞、支持细胞及基质细胞。
结合空间转录组数据，将这些细胞利用Cell2location工具整合到空间中去。这些细胞被重定位至子宫内膜和子宫肌层。这样的方式鉴定到了特定的血管周细胞（PV）类型，如PV MYH11细胞是子宫基层的标志性细胞，而PV STEAP4仅在子宫内膜中发现。
此外，还发现C7成纤维细胞在增殖期与分泌期均在子宫肌层富集。研究接着对月经周期内增殖期子宫内膜上皮细胞（分泌细胞与纤毛细胞）进行鉴定。这类根据经典的marker分成四类：SOX9细胞亚群（在增殖期富集，表达与雌激素水平升高相关的基因）、纤毛细胞（PIFO、TIPP3）、内腔细胞（LGR5）和腺细胞（SCGB2A2）。
子宫内膜功能紊乱对女性健康及生殖功能有着深远的影响。为了鉴定与功能紊乱相关的细胞，研究通过反卷积的方式对子宫内膜癌和子宫内膜异位病灶的bulk RNA数据进行分析，并以单细胞数据作为参考。
研究发现，SOX9过表达信号在肿瘤中占据主导地位。进一步对两个SOX9细胞群SOX9+LGR5+和SOX9+LGR5-进行分析，获得了它们在子宫内膜癌和子宫内膜异位症中占主导地位的特定细胞信号。
研究还关注了转录因子在月经周期对子宫内膜分化的调控。纤毛细胞中WNT的靶点（如FOXJ1）表现出了极高的表达活性，而在腺体细胞亚群中，则呈现WNT靶点（如CSRNP1和FOXO1）抑制NOTCH靶点（如HES1和HEY1）激活状态，表明WNT和NOTCH在纤毛细胞和分泌细胞中的不同作用。
利用空间转录组数据对子宫内膜上皮细胞进行聚类分析，得到了五个不同的细胞亚群（一个内腔细胞亚群，两个功能亚群和两个基部亚群）。参与WNT通路的基因FOXJ1和LGR5在管腔上皮细胞高度表达，而NOTCH2则在功能层的腺体中富集。免疫组化及smFISH探针验证了这些结果。
研究开发了细胞通讯分析工具CellPhoneDB用以分析细胞互作。结果表明NOTCH的配体JAG1在内腔细胞的表达高于腺体细胞，表明NOTCH相关互作更多由上皮隔层介导。而WNT的配体则在上皮和基质细胞表达。对排卵期差异表达的基因分析表明，腺体分泌细胞亚群呈现了WNT受体表达的显著下降，可能会限制这一通路的活动。与腔内细胞对应基因比较，还呈现WNT作用的AXIN2基因表达下调。此外，蜕膜基质细胞中WNT通路抑制剂DKK1的表达水平水平显着高于非蜕膜基质细胞。在空间转录组学中也发现了围绕分泌内皮腺体的 DKK1 的表达。这些结果均表明在分泌细胞中WNT信号传导受到抑制，说明NOTCH信号传导占据主导地位。
研究使用子宫内膜类器官培养的方法来验证卵巢相关激素的响应，评估了类器官培养激素响应后的细胞成分。激素刺激后，纤毛细胞充分分化，而分泌细胞依然维持祖细胞状态，证实类细胞培养可以模拟体内中细胞的激素响应。同时类细胞培养亦证实转录因子在体内和体外的操作范式呈现高度一致，因此子宫内膜类细胞培养可以用于体外检测NOTCH和WNT信号通路在决定上皮细胞命运中的作用。在分化的腺体中抑制WNT信号模拟低WNT微环境，可以抑制产生纤毛细胞，促进分泌细胞生成。在激素的作用下，这些细胞可能通过对纤毛基因强烈的抑制作用产生较多的分泌物。仅仅抑制WNT无法诱导分泌细胞分化，还需要通过激素诱导NOTCH通路。因此，分泌细胞的生成需要信号通路与卵巢相关激素的协作。通过单细胞映射分析也表明，抑制NOTCH通路可以促进纤毛细胞前体的生成。综上，研究阐明了WNT和NOTCH通路在决定子宫内膜上皮细胞命运中的作用。
03最后
单细胞组学是近几年发展起来的新兴领域，“单细胞多组学技术”和“空间转录组技术”先后在2019年和2020年被Nature Methods评为年度技术方法。
时间和空间维度多维研究技术结合，将以全新研究思路出发，既能够获得单个细胞间异质性，又能获得细胞在组织空间上的结构位置信息，发现更多未知且精细化结果。
总而言之，单细胞测序+空间转录组测序：优势互补，同时获得细胞类型群体，以及基因表达和细胞的空间位置信息。
