文献学习044--[sc+st]鸡心脏发育的时空单细胞测序揭示细胞分化和形态发生之间的相互作用

作者提供了数据和代码。

1. Spatially resolved single-cell transcriptomics census of developing embryonic chicken hearts

Fig 1a：作者取了Hamburger-Hamilton心室发育分期¹的四个重要时间点的鸡胚心脏，进行了单细胞和空间转录组测序。单细胞一共测了72个胚心 (混样)，得到22315个细胞。空转测了12个样品，得到超过6800个barcoded spots。

时间点	Hamburger-Hamiltons stage	心脏结构	含义
day 4	HH21- HH24	whole ventricles	corresponding to the early chamber formation stage during the initiation of ventricular septation and only trabeculated myocardium
day 7	HH30-HH31	left and right ventricles	one of the earliest stages of cardiac four-chamber formation with ventricular septation almost complete but the myocardium containing mostly fenestrated trabeculated sheets
day 10	HH35- HH36	left and right ventricles	a mid-four chamber development stage with septation complete and mostly compact myocardium
day 14	~HH40	left and right ventricles	a late four-chamber development stage with completely compact myocardium and the main events of cardiogenesis essentially complete.

day14单细胞样品测得的基因数好低哦，看起来均值只有300左右。空转测到的基因数倒是非常多，感觉一个spots都要接近3000了。

Supplementary Figure 1

Fig 1b-d：单细胞数据注释得到15个细胞群，然后将注释信息学transfer给空转。d图展示了一个每个细胞群的marker基因（做鸡的数据分析的可以参考一下这一个）。
Fig 1e：空转的细胞类型预测评分随后被用于估计特定细胞类型共定位情况。作者对所有cardiac cell type pairs构建了proximity maps，以和弦图的方式展示了出来。（⚠️stlearn可以做）

As proximity is a necessity for physical interactions between two or more cells, these cell-type proximity maps can be used to guide the discovery of interactions between cell types from the same or different lineages.

结果显示在d7，心肌细胞和心内膜细胞存在显著共定位，d10和d14，心肌则是和血管内皮和成纤维细胞共定位。这也和预期是一致的，7天时候心内膜细胞沿心肌小梁排列，10天和14天的时候内皮和成纤维开始存在于compact myocardium。

2. Spatially resolved cardiac lineage analysis

Fig 2a：作者使用monocle和PHATE对epicardial, endocardial 和 myocardial细胞做了拟时序分析。
Fig 2b, c：心外膜细胞在这个时期存在明显的分化轨迹：心外膜-基质转化(EMT)前(HH24–day 4)--EMT期间和心外膜分化(HH31–day 7)--心外膜分化期和分化完成期(HH36–day 10和HH40–day 14)¹。
因此作者选择了epi-epithelial (TCF21⁺ WT1⁺ TEK⁻), epi-mesenchymal (TCF21⁺ TEK⁻), fibroblast cells (TCF21⁺ POSTN⁺ TEK⁻)和mural cells作为epicardial lineage的细胞，做了轨迹分析。重新聚类得到5个群，包括一个early epicardial progenitor cells群 (C1),2个intermediate precursor cell群 (C2和C3), 一个fibroblast-like cell群 (C4)和一个mural cell群 (C5)。而且它们之间存在明显的从d4-d14的分化轨迹。
Fig 2d：Pseudotime correlated well with stages in spatial data and identified significant within-stage variability at days 7 and 10 with a presence of undifferentiated cells in the epicardium lining and differentiated cells in the myocardium
Fig 2e：smFISH验证拟时序的结果，检测各细胞群的空间定位。

3. Spatiotemporally resolved local cellular heterogeneity in developing cardiac tissue

Fig 3a：为了探究胚胎心室的转录差异，作者对空转的结果进行了聚类，并根据解剖部位做了分区。（⚠️注意这个解剖分区，有借鉴意义！）
Fig 3b：结合前面Fig 1c的结果，统计了不同解剖部位心脏的细胞占比。
Fig 3c：细胞类型异质性结果显示2-8种细胞类型contributed to each local transcriptome (number of distinct cell types with a prediction score greater than 5%)，瓣膜区细胞类型异质性低，心脏小梁区异质性高。 在d14，我们观测到一些高异质性的点分散在致密的心室中，包围着血管网络。
Fig 3d-h：展示了一些空间高变基因
Fig 3i：smFISH验证空间高变基因的表达

随后作者查看了一些congenital heart defects (CHD)相关基因的时空表达，根据结果做了解释。

4. A persistent enrichment of thymosin beta-4 expression in coronary vascular cells

在Fig 1b中，非监督聚类得到了一群TMSB4X high细胞，这群细胞在4个时间点的心脏中稳定存在。TMSB4X编码胸腺素beta-4，一个著名的多效分泌小分子蛋白，在肌动蛋白骨架形成，细胞运动，存活和分化中起到重要作用。
目前，对于这个分子在心脏发育过程中的细胞特异性时空表达了解较少。因此作者接下来探究了这群细胞表型和转录的异质性。
Fig 5a：对1075个TMSB4X high细胞重新聚类，得到3个cluster，它们各自有代表性的marker基因。
Fig 5b：做了TMSB4X high细胞和其他细胞的差异分析，画了火山图。对高表达基因做了功能富集，推断了细胞功能（附件）。
Fig 5c-f：TMSB4X的smFISH染色，验证了这群细胞的定位。

文章做的还是比较简单：
1. 展示单细胞和空转测序结果和细胞分群(sc+st)
2. 空间拟时序(sc+st)，看拟时序相关基因的空间表达
3. 空间高变基因(st)
4. 挑个有意义的细胞群做一下差异分析和功能富集

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⚠️2和3其实也就是空转做差异分析的常规思路：

• 探究亚群上调基因研究区域异质性
• 区域组间差异分析揭示不同样本的基因功能

参考：空间转录组差异及富集分析应用思路

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References

1. Martinsen, B. J. Reference guide to the stages of chick heart embryology. Dev. Dyn. 233, 1217–1237 (2005).