单细胞联合空间转录组研究细胞互作

多细胞生物的细胞与细胞之间往往会通过细胞因子和膜蛋白等进行细胞互作，从而调节生命活动，保证生命体高效、有序的运作。细胞互作的一种方式为直接接触，互作的细胞在空间上具有相互邻近的特点；另一种方式为借助信号分子如受体-配体来进行细胞间通讯。单细胞联合空间转录组数据可以同时提供单细胞分辨率的基因表达信息及细胞的空间位置信息，因此，基于二者联合的数据进行细胞互作的研究，可以在组织学层面揭示更加清晰的细胞间相互作用，挖掘潜在的发育及疾病机制。

通过空间转录组数据筛选在空间位置上具有邻近关系的细胞，然后基于筛选细胞的单细胞数据进行受体配体互作分析，从而挖掘关键的细胞间通讯，揭示细胞间潜在的互作关系。

1.揭示发育中细胞的相互作用

在发育研究中，可以选择不同发育时间点或者不同亚群研究各类细胞间的互作关系。2022年，bioRxiv预刊上的一篇文章联合了单细胞和空间转录组数据绘制人类发育中的胰腺时空图谱。该研究发现在15孕周时，施万细胞与内分泌祖细胞在空间位置上紧密相邻。单细胞数据受体配体分析发现了施万细胞与内分泌祖细胞互作的多个受体配体对，其中，L1CAM-EPHB2的互作促进β细胞成熟且定位于施万细胞和内分泌祖细胞的交界处。在20 孕周时，施万细胞不再与内分泌祖细胞或其他内分泌细胞在空间上共定位，表明施万细胞和内分泌祖细胞的互作参与了早期的胰腺发育过程。

图1 施万细胞和内分泌祖细胞的互作参与了早期的胰腺发育过程（图片引自文献[1]）

2.挖掘肿瘤潜在的免疫作用机制

在肿瘤免疫机制研究中，可以通过细胞互作挖掘与免疫细胞发生相互作用的细胞类型，进一步分析其在肿瘤免疫中的作用机制。2021年，发表在Nature Genetics上的一篇文章联合了单细胞和空间转录组数据绘制乳腺癌精细图谱。该研究发现炎症样-肿瘤相关成纤维细胞（iCAFs）与多个淋巴细胞群体共定位，包括记忆/naive B细胞和CD4+/CD8+T细胞；肌纤维样-肿瘤相关成纤维细胞与CD8+T细胞共定位。单细胞数据受体配体分析进一步研究肿瘤相关成纤维细胞与淋巴细胞之间的相互作用，发现iCAF配体和T细胞受体富集，包括趋化因子（CXCL14-CXCR4等）、补体途径、转化生长因子和淋巴细胞抑制/激活分子（LTB-CD40等），表明了肿瘤相关成纤维细胞与免疫细胞在乳腺癌中的免疫作用机制。

图2 肿瘤相关成纤维细胞与免疫细胞在乳腺癌中的免疫作用机制（图片引自文献[2]）

此外，可以通过单细胞转录组受体配体分析来挖掘具有潜在细胞间相互作用的细胞类型，然后基于空间转录组数据对相应的细胞类型进行空间定位，进一步验证细胞间的互作关系。

1.探索胚胎干细胞与微环境之间的相互作用

在胚胎发育研究中，可以通过细胞互作探索发育相关细胞类型之间的相互作用，分析胚胎发育机制。2021年，发表在Cell Research上的一篇文章联合了单细胞和空间转录组数据研究小鼠胎肝（造血干细胞与多能祖细胞）HSCs/MPPs的扩增功能。该研究通过单细胞数据受体配体分析发现，在胚胎发育过程中，HSC与巨噬细胞间富集与HSC/MPP 发育相关的受体配体对。如：细胞生长相关（FLT1-VEGFB等）、细胞因子识别（CCL3-IDE等）和Notch 信号（CCL4-SLC7A1等）。空间转录组数据进一步验证发现HSC细胞与巨噬细胞在空间上共定位，表明胚胎造血干细胞与巨噬细胞的互作参与了胚胎发育。

图3 胚胎造血干细胞与巨噬细胞的互作参与胚胎发育（图片引自文献[3]）

参考文献

[1] Oladapo E O, Ulrich K, Shichina K, et al. Single cell transcriptomic and spatial landscapes of the developing human pancreas. BioRxiv, 2022. 

[2] Sunny Z W, Ghamdan A E, Daniel L, et al. A single-cell and spatially resolved atlas of human breast cancers[J]. Nature Genetics, 2021, 53(9):1334-1347.

[3] Gao S, Shi Q, Zhang Y, et al. Identification of HSC/MPP expansion units in fetal liver by single-cell spatiotemporal transcriptomics[J]. Cell Research, 2022, 32(1):38-53.