提到科研頂流坯临，就不得不提單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組（scRNA-seq）和空間轉(zhuǎn)錄組（ST）霍殴，兩者組合能夠獲得組織中的細(xì)胞組成并還原其空間信息涮帘，從而更加精確的解析組織結(jié)構(gòu)单寂，在科研以及臨床應(yīng)用中具有重要的意義贬芥。
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)用宣决？本周小編將從心血管發(fā)育/疾病蘸劈、肝臟生理學(xué)/疾病、胚胎發(fā)育/干細(xì)胞分化三個(gè)方向總結(jié)王炸組合的科研應(yīng)用思路尊沸。
01心血管發(fā)育/疾病
在過去的幾年中威沫，scRNA-seq技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展贤惯，并且已經(jīng)成為了解細(xì)胞異質(zhì)性和譜系進(jìn)展的最流行的工具之一。
在心血管生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)壹甥，關(guān)于了解心臟是如何發(fā)育的救巷，以及先天性疾病進(jìn)展中的發(fā)育線索是如何出錯(cuò)的等，存在許多尚未解決的問題句柠。哺乳動(dòng)物的心臟包含許多專門的細(xì)胞類型浦译，它們?cè)谛螒B(tài)、位置溯职、基因表達(dá)模式和功能上存在差異精盅。這些組成心臟的異質(zhì)細(xì)胞類型已經(jīng)在細(xì)胞和分子水平上進(jìn)行了研究。然而谜酒，這些技術(shù)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是在測(cè)量被檢查樣本的平均表達(dá)或模式時(shí)叹俏，導(dǎo)致細(xì)胞和分子分辨率的損失。為了更好地理解心血管的發(fā)展和疾病僻族，解決異質(zhì)性心臟細(xì)胞之間的細(xì)微差異可能具有深遠(yuǎn)的治療意義粘驰。
識(shí)別組織/器官中的細(xì)胞類型和同一細(xì)胞類型的亞群
scRNA-seq已被用于確定早期心臟細(xì)胞如何出現(xiàn)和分離的機(jī)制。隨著細(xì)胞的發(fā)育述么，它們的表達(dá)模式發(fā)生變化以實(shí)現(xiàn)特定功能蝌数，這些特定基因的表達(dá)標(biāo)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)度秘，并闡明特定基因的激活和失活顶伞。在心臟中，這種情況發(fā)生在早熟的靜脈細(xì)胞中剑梳，這些細(xì)胞在心臟發(fā)育過程中形成了一個(gè)不成熟的血管網(wǎng)絡(luò)或脈絡(luò)叢唆貌。隨著這些細(xì)胞的不斷成熟，一些細(xì)胞通過下調(diào)特定的基因如CoupTF2和Nr2f2垢乙，上調(diào)其他基因如EphrinB2锨咙、Dll4和Notch4來改變狀態(tài)，最終導(dǎo)致細(xì)胞向動(dòng)脈身份的重編程追逮。
心臟發(fā)育中的細(xì)胞分化和細(xì)胞譜系分析
利用scRNA-seq分析構(gòu)成心臟不同區(qū)域的細(xì)胞蓖租，可以洞察細(xì)胞信號(hào)、基因表達(dá)模式和信號(hào)梯度羊壹，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齐婴，研究人員提出心內(nèi)膜Tgfβ1和心外膜Rspo1的表達(dá)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)油猫。因此，心臟內(nèi)細(xì)胞的空間取向可以影響特定細(xì)胞的輪廓柠偶，并且這些信息可以在scRNA-seq數(shù)據(jù)中捕獲情妖。
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(jī)制睬关。例如研究人員利用scRNA-seq與基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法來預(yù)測(cè)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(biāo)志物毡证，該生物標(biāo)志物是導(dǎo)致先天性心臟病的原因电爹。在另一項(xiàng)研究中研究人員通過時(shí)空單細(xì)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(hào)的失調(diào)和前后模式的破壞料睛。這些研究結(jié)果表明丐箩，scRNA-seq對(duì)于理解單細(xì)胞分辨率的先天性心臟病的病理機(jī)制是至關(guān)重要的；scRNA-seq可以應(yīng)用于識(shí)別由異質(zhì)細(xì)胞分化引起的各種疾病恤煞。
從單細(xì)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類似屎勘，該技術(shù)也用于表征細(xì)胞亞群，包括構(gòu)成成年組織的稀有細(xì)胞類型居扒。這使得研究人員能夠闡明病理?xiàng)l件或細(xì)胞類型概漱，并通過表征成年心臟細(xì)胞中基因表達(dá)、信號(hào)通路和相互作用網(wǎng)絡(luò)的變化喜喂，確定損傷或疾病中的細(xì)胞軌跡瓤摧。
不同亞群和稀有細(xì)胞類型的鑒定對(duì)心血管疾病的發(fā)病機(jī)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(xì)胞/成纖維細(xì)胞亞群玉吁，可能是應(yīng)激時(shí)導(dǎo)致心肌纖維化的原因照弥，但纖維化的確切潛在機(jī)制一直未知。為了獲取IL-11在心臟纖維化發(fā)展中的作用诈茧，研究人員在纖維化的人心臟中進(jìn)行了bulk scRNA-seq實(shí)驗(yàn)产喉，發(fā)現(xiàn)IL-11 RNA表達(dá)與肌成纖維細(xì)胞群呈正相關(guān)。另外在纖維化易感小鼠模型中進(jìn)行scRNA-seq實(shí)驗(yàn)敢会，發(fā)現(xiàn)了IL-11陽性的成纖維細(xì)胞亞群曾沈，顯示了IL-11在心血管疾病中與成纖維細(xì)胞分化的重要作用。
此外鸥昏，在另一項(xiàng)研究中塞俱，研究人員利用基于SMART-seq2的scRNA-seq鑒定肥厚型心肌細(xì)胞的異質(zhì)基因表達(dá)，并從一個(gè)由主動(dòng)脈橫斷收縮誘導(dǎo)的肥厚型心肌細(xì)胞模型中對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的心肌細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞軌跡分析吏垮，揭示了p53在促進(jìn)心肌細(xì)胞亞群中致病基因程序的作用障涯。
利用空間轉(zhuǎn)錄組構(gòu)建人類心臟單細(xì)胞圖譜
全轉(zhuǎn)錄組scRNA-seq研究的一個(gè)主要障礙是它們沒有保留原始細(xì)胞的空間信息。為了同時(shí)分析心臟基因表達(dá)模式和細(xì)胞異質(zhì)性膳汪，研究人員設(shè)計(jì)了一種分子方法唯蝶，使用scRNA-seq以及ST和ISS提供細(xì)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(duì)mRNA轉(zhuǎn)錄物進(jìn)行定量的空間分布遗嗽，這可以通過ISS進(jìn)行驗(yàn)證粘我，ISS使用掛鎖探針來靶向已知基因。隨后研究人員不僅測(cè)試了技術(shù)概念痹换，而且還發(fā)現(xiàn)了新的細(xì)胞類型征字，例如與纖維化相關(guān)的成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞簇和心肌細(xì)胞亞群都弹。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)果匙姜。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(xì)胞類型和區(qū)域信息畅厢，最大限度地提高了數(shù)據(jù)信息的使用效率。
單細(xì)胞分析已經(jīng)徹底改變了我們對(duì)心血管發(fā)育和疾病的理解氮昧。計(jì)算機(jī)模擬分析在研究心血管疾病和胎兒心臟發(fā)育中的細(xì)胞亞群變異和分化方面的應(yīng)用和見解對(duì)于基礎(chǔ)研究和醫(yī)學(xué)研究都是非常寶貴的框杜。隨著實(shí)驗(yàn)和分析方法的不斷改進(jìn)，預(yù)計(jì)scRNA-seq技術(shù)將繼續(xù)快速發(fā)展郭计。
首發(fā)公號(hào)：國(guó)家基因庫大數(shù)據(jù)平臺(tái)
參考文獻(xiàn)
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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