【文献解读】cell-发育中的人类心脏的时空、器官范围的基因表达和细胞图谱

人类心脏形态形成的过程尚不完全清楚。它的全部特性需要用单细胞空间分辨率在器官范围内对基因表达进行深入探索。在这里，我们提出了一种分子方法，揭示了胚胎心脏在三个发育阶段的细胞类型的全面转录景观，并将细胞类型特异性基因表达映射到特定的解剖结构域。空间转录组学鉴定了在每个发育阶段对应不同解剖区域的独特基因图谱。通过单细胞RNA测序鉴定的人胚胎心脏细胞类型，证实并丰富了胚胎心脏基因表达的空间注释。然后使用原位测序来细化这些结果，并创建三个发育阶段的空间亚细胞图谱。最后，我们制作了一个人类心脏发育的公共网络资源，以促进未来对人类心脏发生的研究。

• 在人类心脏发生中的时空基因表达模式
• 在人类胚胎心脏中绘制细胞类型分布和空间组织
• 深入分析了不同细胞类型在心脏发育中的作用
• 人类胚胎心脏的公共可用网络资源

(A)本研究包括的三个人类心脏组织的发育阶段。天数被定义为受孕后的天数。(B)本研究中提出的分子方法概述;其步骤如下:(1)利用ST技术探索三颗心脏的转录全时空模式;(2)利用scRNA-seq技术在中间时间点解剖心脏细胞类型异质性;(3)利用ISS技术以亚细胞分辨率定位关键基因;(4)生成三维基因表达图谱。

(A C)对4.5 5 PCW (A)、6.5 PCW (B)和9 PCW (C)心脏样本的组织切片进行免疫染色，显示其整体解剖结构。肌钙蛋白T (TNNT2)的空间蛋白表达在左右心室及左右心房均有发现。OFT显示主动脉平滑肌肌动蛋白(ACTA2)的空间表达，显示主动脉和肺动脉在三个阶段的逐渐形成(以白色虚线表示)。在6.5 PCW和9 PCW时(由白色箭头表示)位于心外膜下间质的冠状动脉中也可以看到ACTA2。含肺静脉的纵隔组织(ACTA2)只在晚期可见(以橙色虚线表示)。(D)从4.5 5、6.5和9 PCW人类胚胎心脏的19个组织切片中减少和聚类3115个点。每个簇注释的解剖区域如下所示。(E G)将所有10个聚类的数据点映射到它们的空间位置表明，聚类集中在不同的组织学区域。放大的组织结构图像显示在F1 F3中。(H)差异基因表达分析显示所有10个聚类中出现和下调的基因。调整后的p值<红色表示0.01，黑色表示调整后的p值r0.01。(A C)和(E G)图形包含平铺图像覆盖整个组织。

(A)散点图显示6.5 PCWheart样本细胞聚集基因计数与6.5 PCW心脏样本斑点聚集基因计数之间的皮尔逊相关性。(B)聚类染色的6.5 7 PCW心脏的3717个单细胞的维数减少和聚类。被识别的细胞类型，是注释的基础上的标记基因信息，显示在右边。(C) tSNE图如(B)所示，根据细胞分离前得到的各自心脏部分的来源，对细胞进行染色。虚线的部分(我)说明了集群1(心室心肌细胞),这是目前在相当大的程度上在分数(ii)。虚线部分(2)说明缺席集群5,7和14(平滑肌细胞/呈、心房心肌细胞和心脏神经嵴和施旺祖细胞),它们存在于分数(i)。

(A) smFISH分析的6.5 PCW心脏样本的组织切片，显示MYH7、TBX18和OGN基因的空间分布。比例条:(A) 1000 mm， (A1) 10 mm， (A1a) 5 mm， (A2) 10 mm， (A2a-b) 5 mm。(B) ISS分析的6.5 PCW心脏样本的组织切片，显示匹配的基因表达模式。MYH7定位于心室，TBX18定位于心外膜，OGN定位于OFT区域。比例条:(B) 1000mm， (B1) 50mm， (B1 - B) 10mm， (B2) 50mm。(A和B)图形包含平铺图像，覆盖整个组织。

(A) ISS鉴定的69个基因转录在6.5 PCWheart组织切片中的分布。基因信号以符号的形式显示，颜色按其所属簇进行分组，如图3B所示。只包括分配给细胞的读取以作进一步分析。(B) (A)中所示的基因转录的概率细胞图。该图显示了20,920个细胞，以匹配scRNA-seq簇的概率饼状图表示。每个饼图的比例用颜色编码，如图3B所示。(C)将(A)中所选区域的放大图像。识别出的基因信号根据其聚类身份以彩色符号表示。(D)放大(B)对应区域的图像。每个饼图代表一个单元格，其大小与分配给该单元格的读取次数(最小5次)成比例。(E)读数的分布和分配，以及细胞簇在单细胞水平上的概率分布。(C)和(D)中的示例展示了读取如何分配给单元以及单元如何分配给集群。顶部面板:分配和分配读到四个示例单元格。白线将读取连接到分配给它们的单元格。DAPI染色的细胞核呈灰色。底部面板:饼状图，显示上述四个示例单元格如何与每个集群匹配。颜色是细胞类型特有的。(A)图包含平铺图像，覆盖整个组织。

(A和B)的比较基因表达检测在圣scRNA-seq,和空间站特定标记基因许旺祖和心脏神经嵴细胞(A)和心外膜细胞和EPDCs (B)。每一个标记基因表达了在圣组织部分的热图和scRNA-seq tSNE情节,作为小提琴情节整个scRNA-seq集群和注册记录在国际空间站的组织部分,分别。(C)概述分别为4.5 5、6.5和9 PCW的心脏组织切片。(D)三个时间点的OFT域放大图像，显示ISS检测到的ISL1和ALDH1A1亚细胞基因表达。在显示MYBPC3、TBX18、ITLN1、ISL1和ALDH1A1亚细胞基因表达的三个时间点上，放大右(E)和左(F) AV心外膜下间质结构域的图像，大小为200mm (E和F)。(G)基于细胞概率作图的心外膜细胞(第9簇)和epdc细胞(第3簇)的空间分布。每个数据点(即单元格)用饼图表示，颜色编码如图3B所示。(A F)数字包含平铺图像覆盖整个组织。

(A) 6.5 PCW人类胚胎心脏三维基因表达参考模型的数字化构建。该模型在这里说明了从前部、侧面和顶部观察的9个ST组织切片中ST斑点的位置。在图2F中，ST点是由它们的集群标识着色的。(B)与(A)中所见的相同的3D数字结构，但这里展示了ISS的概率细胞图。该图像显示了来自6.5 PCW组织切片的20920个细胞，按细胞类型标识着色，如图3B所示。