10X单细胞和10X空间转录组学联合分析运用的方法思路及运用

hello，大家好，今天我们来总结一些10X单细胞和10X空间转录组联合分析的运用案例，让我们对10X单细胞和10X空间转录组的联合分析有一个深入的认识。

单个细胞基因表达严格按特定的时间和空间顺序发生，但由于单细胞测序的前提是将组织制备成单细胞悬液，从而忽略了同样非常关键的细胞所处的原始位置信息，这一点通过空间转录组测序有望解决。然而，目前空间转录组尚不能提供组织中单个细胞的转录本信息。因此，整合scRNA-seq 和空间转录组学数据对研究细胞亚群及其在发育、稳态和疾病中的作用至关重要。这次我们解读一篇发表于Nature review.Genetics 的文章，分享一些二者整合的应用方向，并简要介绍二者整合方法，大家可以相互借鉴，有助于自己的科学研究。

空间转录组学加速了对不同背景和器官系统内离散细胞亚群如何发挥功能的认知（图 1a），从而加深了对正常或是疾病组织深层次的研究，在肿瘤微环境，其他疾病微环境，以及正常组织稳态和发育中均有广泛的应用前景。（这是文献的翻译，大家了解一下）。

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1、空间转录组在肿瘤微环境中的应用

• 耐药性研究方向：通过空间转录组和 scRNA-seq 结合，将肿瘤特异性角化细胞亚群定位到人类皮肤鳞状细胞癌中的纤维血管，与免疫治疗抑制相关的基因相比该细胞亚群表现出高表达，表明该肿瘤亚群可能促进局部免疫抑制。

• 肿瘤转移研究方向：胰腺导管腺癌的研究将 scRNA-seq 和空间条形码与HE染色后的图像相结合，揭示了炎性成纤维细胞在癌症应激反应中发挥重要作用。

• 患者预后管理方向：在黑色素瘤的研究中，发现黑色素瘤转移横截面内过渡区域的异质性越大，患者生存率越低。这表明通过了解肿瘤耐药性和应激反应，可以对临床预后给出一定指导性建议。

2、空间转录组在其他疾病微环境中的应用

• 探究疾病生物标记物：在阿尔茨海默病的研究中，利用scRNA-seq发现了小鼠大脑中与阿尔茨海默病相关的小胶质细胞亚群，通过联合空间转录组将该细胞亚群定位于淀粉样斑块（阿尔茨海默病患者脑中存在淀粉样斑块），进一步确定了高密度淀粉样斑块区域中共表达基因网络，上调的基因可能是阿尔茨海默病的治疗靶点。

• 阐明疾病关键时间点的发病机制：肌萎缩性脊髓硬化症研究，利用空间转录组对疾病脊髓横截面三个关键的空间进行定位研究，共表达分析确定了31个与该疾病相关的基因，并绘制了它们在疾病进展时间点的动态表达水平，最终确定了潜在的治疗靶点。

3、空间转录组在正常组织稳态和发育中的应用

• 细胞定位：通过结合scRNA-seq和HPRI对视前下丘脑神经元功能组织的分析研究，发现了新的细胞亚型、空间定位及其在特定行为中的激活。

• 研究不同细胞亚群在稳态中的功能：众所周知，血管周围的每个肝小叶细胞中的氧气、营养物质和激素梯度不尽相同。通过单分子荧光原位杂交研究将每个细胞分配到九个离散区域，从而揭示了中央肝细胞区一类肝小叶细胞的作用，同时基于FACS 与肝分区细胞表面标记物和激光捕获显微切割 (LCM)来阐明调节信号通路的代谢分区和再生情况，因此对介导组织稳态的细胞亚群有了新的认知。

• 研究发育过程中的动态变化：应用空间转录组学分别对心脏三个不同的发育阶段的不同解剖区域绘制基因定位图谱，通过scRNA-seq确定心肌细胞亚型并丰富了胚胎心脏基因表达的空间注释，进一步使用原位杂交技术生成不同发育阶段单细胞分辨率的心脏3D图。

• 解析细胞间的通讯：细胞亚群之间的相互作用有助于研究组织稳态、发育和疾病。细胞之间相互作用的范围是0~200 μm，因此细胞通讯的空间位置是有限的，空间转录组以较高的分辨率展示了组织中不同细胞的基因空间活跃信息，非常适合评估由scRNA-seq计算出的配体-受体相互作用的可靠性(图2)。SpaOTsc算法通过配体-受体靶基因共表达来预测给定配体-受体对的最大通信范围，主要用于细胞通讯与下游信号目标的研究。这个非常重要。

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目前，空间转录组无法达到单细胞分辨率，scRNA-seq无法提供空间定位信息，如果可以将两者有效的结合，便可以实现优势互补，从而有利于对各生命机制的研究，那么，单细胞数据与现有的空间转录组技术相结合的方法都有哪些呢？

整合scRNA-seq 和空间数据主要有两种方法：反卷积法和比对法（下表）。

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反卷积法根据单细胞数据将每个捕获点的 mRNA 转录本通过复杂的计算方式解离成离散细胞亚群（图 3a）。比对法有两个方面：基于 scRNA-seq 的细胞亚型映射到荧光标记（HPRI）每个细胞（图 3b），并将每个细胞映射到组织的特定区域。该分析可以为 scRNA-seq 数据分析中获得的假定配体-受体相互作用提供空间背景。比对法中通过聚类将数据整合的有效方法主要有三种：LIGER、Seurat Integration和Harmony (图3f)。

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空间转录组技术正在迅速发展，但尚未达到单细胞水平，也没有哪一种空间转录组技术适合所有应用方向。因此，根据不同的生物学问题，通过设计不同的实验方案来选择整合空间转录组学与scRNA-seq的方法，可以生成组织中单细胞水平的高分辨率图谱，从而在空间上绘制特定的细胞亚群，进一步阐明这些细胞亚群协同塑造组织表型的机制，有助于定义疾病亚型，指导预后，及通过配体和受体揭示细胞间的通讯机制。

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