提到科研頂流，就不得不提單細胞轉(zhuǎn)錄組（scRNA-seq）和空間轉(zhuǎn)錄組（ST），兩者組合能夠獲得組織中的細胞組成并還原其空間信息，從而更加精確的解析組織結(jié)構(gòu)，在科研以及臨床應(yīng)用中具有重要的意義。
之前小編已經(jīng)為大家整理過scRNA-seq和空間組學(xué)技術(shù)的內(nèi)容，scRNA-seq+空間轉(zhuǎn)錄組有哪些應(yīng)用？本周小編將從心血管發(fā)育/疾病、肝臟生理學(xué)/疾病、胚胎發(fā)育/干細胞分化三個方向總結(jié)王炸組合的科研應(yīng)用思路。
01心血管發(fā)育/疾病
在過去的幾年中，scRNA-seq技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進展，并且已經(jīng)成為了解細胞異質(zhì)性和譜系進展的最流行的工具之一。
在心血管生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，關(guān)于了解心臟是如何發(fā)育的，以及先天性疾病進展中的發(fā)育線索是如何出錯的等，存在許多尚未解決的問題。哺乳動物的心臟包含許多專門的細胞類型，它們在形態(tài)、位置、基因表達模式和功能上存在差異。這些組成心臟的異質(zhì)細胞類型已經(jīng)在細胞和分子水平上進行了研究。然而，這些技術(shù)的一個主要缺點是在測量被檢查樣本的平均表達或模式時，導(dǎo)致細胞和分子分辨率的損失。為了更好地理解心血管的發(fā)展和疾病，解決異質(zhì)性心臟細胞之間的細微差異可能具有深遠的治療意義。
識別組織/器官中的細胞類型和同一細胞類型的亞群
scRNA-seq已被用于確定早期心臟細胞如何出現(xiàn)和分離的機制。隨著細胞的發(fā)育，它們的表達模式發(fā)生變化以實現(xiàn)特定功能，這些特定基因的表達標志著成熟的分化表型。我們可以使用scRNA序列來幫助理解這些過渡狀態(tài)，并闡明特定基因的激活和失活。在心臟中，這種情況發(fā)生在早熟的靜脈細胞中，這些細胞在心臟發(fā)育過程中形成了一個不成熟的血管網(wǎng)絡(luò)或脈絡(luò)叢。隨著這些細胞的不斷成熟，一些細胞通過下調(diào)特定的基因如CoupTF2和Nr2f2，上調(diào)其他基因如EphrinB2、Dll4和Notch4來改變狀態(tài)，最終導(dǎo)致細胞向動脈身份的重編程。
心臟發(fā)育中的細胞分化和細胞譜系分析
利用scRNA-seq分析構(gòu)成心臟不同區(qū)域的細胞，可以洞察細胞信號、基因表達模式和信號梯度，這些都有助于了解心臟的發(fā)育和生理信息。例如利用小鼠胚胎心臟中的scRNA-seq，研究人員提出心內(nèi)膜Tgfβ1和心外膜Rspo1的表達可能與建立發(fā)育中心臟的心肌小梁和致密心肌區(qū)有關(guān)。因此，心臟內(nèi)細胞的空間取向可以影響特定細胞的輪廓，并且這些信息可以在scRNA-seq數(shù)據(jù)中捕獲。
scRNA-seq技術(shù)已被用于通過定義亞群的局部變化來揭示先天性心臟病的發(fā)病機制。例如研究人員利用scRNA-seq與基于網(wǎng)絡(luò)的計算方法來預(yù)測譜系特異性轉(zhuǎn)錄因子。將Hand2指定為心臟早期發(fā)育過程中右心室形成的生物標志物，該生物標志物是導(dǎo)致先天性心臟病的原因。在另一項研究中研究人員通過時空單細胞轉(zhuǎn)錄組分析和原位雜交發(fā)現(xiàn)，Hand2導(dǎo)致視黃酸信號的失調(diào)和前后模式的破壞。這些研究結(jié)果表明，scRNA-seq對于理解單細胞分辨率的先天性心臟病的病理機制是至關(guān)重要的；scRNA-seq可以應(yīng)用于識別由異質(zhì)細胞分化引起的各種疾病。
從單細胞角度研究成人心臟和心血管疾病模型
與發(fā)育過程中使用scRNA-seq類似，該技術(shù)也用于表征細胞亞群，包括構(gòu)成成年組織的稀有細胞類型。這使得研究人員能夠闡明病理條件或細胞類型，并通過表征成年心臟細胞中基因表達、信號通路和相互作用網(wǎng)絡(luò)的變化，確定損傷或疾病中的細胞軌跡。
不同亞群和稀有細胞類型的鑒定對心血管疾病的發(fā)病機制具有重要的臨床意義。例如小鼠心臟中發(fā)現(xiàn)了混合的巨噬細胞/成纖維細胞亞群，可能是應(yīng)激時導(dǎo)致心肌纖維化的原因，但纖維化的確切潛在機制一直未知。為了獲取IL-11在心臟纖維化發(fā)展中的作用，研究人員在纖維化的人心臟中進行了bulk scRNA-seq實驗，發(fā)現(xiàn)IL-11 RNA表達與肌成纖維細胞群呈正相關(guān)。另外在纖維化易感小鼠模型中進行scRNA-seq實驗，發(fā)現(xiàn)了IL-11陽性的成纖維細胞亞群，顯示了IL-11在心血管疾病中與成纖維細胞分化的重要作用。
此外，在另一項研究中，研究人員利用基于SMART-seq2的scRNA-seq鑒定肥厚型心肌細胞的異質(zhì)基因表達，并從一個由主動脈橫斷收縮誘導(dǎo)的肥厚型心肌細胞模型中對不同時間點的心肌細胞進行細胞軌跡分析，揭示了p53在促進心肌細胞亞群中致病基因程序的作用。
利用空間轉(zhuǎn)錄組構(gòu)建人類心臟單細胞圖譜
全轉(zhuǎn)錄組scRNA-seq研究的一個主要障礙是它們沒有保留原始細胞的空間信息。為了同時分析心臟基因表達模式和細胞異質(zhì)性，研究人員設(shè)計了一種分子方法，使用scRNA-seq以及ST和ISS提供細胞的定位信息。ST允許在組織切片中使用條形碼寡核苷酸陣列對mRNA轉(zhuǎn)錄物進行定量的空間分布，這可以通過ISS進行驗證，ISS使用掛鎖探針來靶向已知基因。隨后研究人員不僅測試了技術(shù)概念，而且還發(fā)現(xiàn)了新的細胞類型，例如與纖維化相關(guān)的成纖維細胞樣細胞簇和心肌細胞亞群。他們還將空間信息整合到3D轉(zhuǎn)錄圖譜中，為其他研究人員展示其研究結(jié)果。這種組合方法通過提供不易獲得的組織（例如人類胚胎組織）細胞類型和區(qū)域信息，最大限度地提高了數(shù)據(jù)信息的使用效率。
單細胞分析已經(jīng)徹底改變了我們對心血管發(fā)育和疾病的理解。計算機模擬分析在研究心血管疾病和胎兒心臟發(fā)育中的細胞亞群變異和分化方面的應(yīng)用和見解對于基礎(chǔ)研究和醫(yī)學(xué)研究都是非常寶貴的。隨著實驗和分析方法的不斷改進，預(yù)計scRNA-seq技術(shù)將繼續(xù)快速發(fā)展。
首發(fā)公號：國家基因庫大數(shù)據(jù)平臺
參考文獻
Roth R, Kim S, Kim J, et al. Single-cell and spatial transcriptomics approaches of cardiovascular development and disease[J]. BMB reports, 2020, 53(8): 393.
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