新數(shù)據(jù)庫(kù)SPASCER——單細(xì)胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)注釋

近年來(lái)，空間技術(shù)的爆炸性增長(zhǎng)使組織結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性得以表征。先前存在兩個(gè)空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的分析信息有限?；蚝图?xì)胞的空間異質(zhì)性，空間中的細(xì)胞-細(xì)胞交流活動(dòng)以及微環(huán)境中的細(xì)胞類(lèi)型組成等信息是揭示腫瘤發(fā)生和胚胎分化機(jī)制的關(guān)鍵線索。本研究展示了一個(gè)名為SPASCER (https://ccsm.uth.edu/SPASCER) 的新的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，旨在幫助理解組織組織的異質(zhì)性，特定區(qū)域的微環(huán)境以及跨組織結(jié)構(gòu)在多個(gè)層次上的細(xì)胞間相互作用。

技術(shù)路線：

主要研究結(jié)果：

1、SPASCER概述

目前，空間數(shù)據(jù)集成有兩種代表性資源，即SpatialDB和STOmicsDB。STOmicsDB僅提供與空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)主題相關(guān)的文獻(xiàn)資料庫(kù)和很少的數(shù)據(jù)集，并且不使用這些數(shù)據(jù)提供任何進(jìn)一步的分析。SpatialDB僅對(duì)10個(gè)主要基于HPRI的數(shù)據(jù)集。即seqFISH和MERFISH進(jìn)行空間可變 (SV) 基因分析和富集分析。作者開(kāi)發(fā)了一種新的數(shù)據(jù)庫(kù)SPASCER，以在單細(xì)胞水平上系統(tǒng)地研究組織的空間異質(zhì)性及其相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程。SPASCER提供了空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的系統(tǒng)注釋?zhuān)?(i) 空間模型基因，(ii) 空間模型途徑，(iii) 基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，(iv) 細(xì)胞-細(xì)胞相互作用 (v) 空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)去卷積和相互作用。

SPASCER從43個(gè)研究中收集了1082個(gè)數(shù)據(jù)集，這些研究跨越了16個(gè)器官類(lèi)型和4個(gè)物種（人，小鼠，雞和斑馬魚(yú)）（圖2A）。注釋了總共118種細(xì)胞類(lèi)型，包括內(nèi)皮、上皮、成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞等。

檢測(cè)到的空間模式也可能反映組織組織和特定細(xì)胞類(lèi)型分布。在一個(gè)腎臟小鼠模型中，作者發(fā)現(xiàn)基因Aadat顯示出清晰的空間結(jié)構(gòu)模式（圖3A），并且參與了空間模型途徑“L-kynurenine metabolic process”（圖3B）?？臻g斑點(diǎn)聚類(lèi)（圖3C）和H & E染色圖像（圖3D），以及反卷積分析（圖3E）表明，這種特定的空間基因和途徑模式可能與近端小管段3細(xì)胞（PT S3 OS）的分布有關(guān)。Aadat的空間格局在損傷后減少，并隨著修復(fù)過(guò)程而增加（圖S3B），這將有助于研究再生過(guò)程。因此，此數(shù)據(jù)庫(kù)提供了細(xì)胞類(lèi)型標(biāo)記基因，空間基因模式，空間途徑模式，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及scRNA-seq和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用的豐富資源。

圖1 SPASCER的設(shè)計(jì)和構(gòu)造

圖2A scRNA-seq的細(xì)胞數(shù)量（綠）和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（紅）數(shù)據(jù)中的斑點(diǎn)大小代表數(shù)量的多少

圖3A-E 從SPASCER獲得的部分函數(shù)注釋示例結(jié)果

圖S3B 小鼠腎臟中Aadat的時(shí)間序列特征。

2、細(xì)胞類(lèi)型類(lèi)別

內(nèi)皮細(xì)胞，上皮細(xì)胞，成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞等是組織構(gòu)建中的基本細(xì)胞類(lèi)型。根據(jù)細(xì)胞類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)分析，內(nèi)皮是大多數(shù)研究 (23/43) 中包括的主要細(xì)胞類(lèi)型 (圖S2B)。在此數(shù)據(jù)庫(kù)中，包含內(nèi)皮細(xì)胞的九個(gè)人體器官和六個(gè)小鼠器官?？缃M織的內(nèi)皮細(xì)胞的代表標(biāo)記顯示在圖2B和C中。如這些圖所示，不同的組織表達(dá)獨(dú)特的標(biāo)記基因，而聚腺苷酸結(jié)合蛋白1 (PABPC1) 在人和小鼠的多個(gè)組織中均高度表達(dá)（圖2B，C）。因此，這可能是一個(gè)潛在的研究點(diǎn)，因?yàn)槟壳皼](méi)有報(bào)道揭示聚腺苷酸結(jié)合蛋白1與內(nèi)皮細(xì)胞之間的關(guān)系。

圖S2B 在多項(xiàng)研究中包含的9個(gè)主要細(xì)胞類(lèi)型，括號(hào)中的數(shù)字代表研究數(shù)量。

圖2B，C：Violin plots顯示了人類(lèi)和小鼠多個(gè)組織中組織特異性內(nèi)皮標(biāo)記基因的表達(dá)水平。

3、空間模式路徑類(lèi)別

此類(lèi)別提供了已鑒定的空間圖案化基因的豐富生物學(xué)途徑?？偣?，作者使用所有樣品確定了22條具有跨組織架構(gòu)的空間模式的792通路（圖S4B）。對(duì)于腫瘤研究，“細(xì)胞遷移”，“細(xì)胞粘附”，“細(xì)胞分化”，“細(xì)胞增殖”，“白細(xì)胞遷移”等在腫瘤區(qū)域高度富集，表明腫瘤增殖和侵襲。

特定的模式也可能揭示正常組織中的結(jié)構(gòu)組織。CCK (膽囊收縮素) 高度分布在人皮質(zhì)的L2和L6層中，Aadat富集在小鼠腎臟的近端小管區(qū)域。作者還發(fā)現(xiàn)，損傷后2小時(shí)空間格局迅速下降，2天后幾乎消失，6周后恢復(fù)正常，這可能與近端小管的損傷和修復(fù)過(guò)程有關(guān) (圖S3B)。這些檢測(cè)到的空間模式基因?qū)⒂兄趯?duì)組織組織的理解，而這些模式基因在時(shí)間序列組織中的動(dòng)態(tài)變化將拓寬對(duì)組織發(fā)育，疾病進(jìn)展和損傷再生的關(guān)鍵因素的了解。

圖S4B 已識(shí)別的空間模型路徑

4、轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)類(lèi)別

本分類(lèi)提供轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)信息。鑒定了697個(gè)關(guān)鍵調(diào)控因子和一系列潛在的靶基因，涉及總共97種細(xì)胞類(lèi)型。將檢測(cè)到的潛在調(diào)控因子和靶基因定位到蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用中，以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。在該模塊中，用戶可以輸入感興趣的基因符號(hào)，以檢查該基因是否在多個(gè)組織中起調(diào)節(jié)作用，以及其潛在的靶基因。對(duì)于先前基于研究，作者使用熱圖提供了每種細(xì)胞類(lèi)型中所有已識(shí)別的重要轉(zhuǎn)錄因子(圖3H)。該類(lèi)別可以提供組織架構(gòu)上下文的關(guān)鍵調(diào)節(jié)。

圖3H 在不同細(xì)胞類(lèi)型中檢測(cè)到肥大規(guī)律。Hoxb3, z2f1和Foxo6是VSM細(xì)胞中的特異性TFs。

5、細(xì)胞與細(xì)胞相互作用類(lèi)別

此類(lèi)別在單細(xì)胞環(huán)境中提供了重要的配體-受體對(duì)。配體是一種與一個(gè)細(xì)胞釋放的生物分子形成復(fù)合物的物質(zhì)，以發(fā)出自身或不同細(xì)胞的信號(hào)。當(dāng)配體與其各自的受體結(jié)合時(shí)，生物活性會(huì)改變，從而引發(fā)幾種不同類(lèi)型的細(xì)胞反應(yīng)。使用scRNA-seq數(shù)據(jù)的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用分析鑒定了135個(gè)細(xì)胞類(lèi)型中1020獨(dú)特的配體-受體對(duì)。在網(wǎng)站中，作者提供了所有已識(shí)別的重要配體受體對(duì)以及相關(guān)的源細(xì)胞和靶細(xì)胞。對(duì)于基因的搜索，用戶可以搜索各個(gè)基因的相互作用伙伴和在各種細(xì)胞中的表達(dá)水平。對(duì)于基于紙張的瀏覽，用戶可以這樣做檢查網(wǎng)絡(luò)模塊中所有重要交互的單元類(lèi)型。較厚的邊緣表示較強(qiáng)的相互作用。細(xì)胞活動(dòng)取決于細(xì)胞-細(xì)胞相互作用，這對(duì)于組織穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。異常的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用可能導(dǎo)致組織紊亂甚至疾病。

6、空間反卷積與相互作用分析范疇

此類(lèi)別通過(guò)反卷積分析提供高度豐富的細(xì)胞鄰域和相互作用。即使我們對(duì)每個(gè)斑點(diǎn)的細(xì)胞類(lèi)型進(jìn)行了預(yù)測(cè)，但在復(fù)雜的組織中，一個(gè)斑點(diǎn)對(duì)于一種以上的細(xì)胞類(lèi)型可能具有較高的富集評(píng)分。因此，作者提供了每個(gè)數(shù)據(jù)集的富集熱圖，并基于Giotto聚類(lèi)分析了spot-spot通信。使用來(lái)自scRNA-seq的注釋細(xì)胞類(lèi)型，作者估計(jì)了單個(gè)細(xì)胞類(lèi)型的分布。用戶可以搜索它們是否充當(dāng)不同細(xì)胞中跨組織結(jié)構(gòu)的配體或受體，還可以搜索估計(jì)的細(xì)胞類(lèi)型分布以及它們是否與其他細(xì)胞通信。例如，在腎損傷研究中，空間反卷積分析結(jié)果顯示近端小管節(jié)段1 (PT S1) 和連接小管 (CNT) 分布在外層，而收集導(dǎo)管 (CD) 分布在內(nèi)部區(qū)域 (圖3E)。。這些結(jié)果與H & E染色圖像的解剖結(jié)構(gòu)一致。具體來(lái)說(shuō)，其可以估計(jì)整個(gè)組織結(jié)構(gòu)中不同的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用模式 (圖3F)。作者發(fā)現(xiàn)CNT細(xì)胞與外層的PT S1高度相互作用，PT纖維蛋白原與中間區(qū)域的PT S3 OS相互作用，VSM與內(nèi)部區(qū)域的CD IC細(xì)胞相互作用。在CD IC-VSM細(xì)胞中檢測(cè)到的配體-受體對(duì)中，Ccl8 (c-c基序趨化因子配體8) 與Ccr1 (c-c基序趨化因子受體1)，Ccr2 (c-c基序趨化因子受體2) 高度相互作用，ccr5 (c-c基序趨化因子受體5) (圖3G)，這些可能是由于腎損傷過(guò)程，因?yàn)橄惹暗难芯勘砻鬟@些趨化因子基因家族與炎癥和巨噬細(xì)胞相關(guān)的轉(zhuǎn)移有關(guān) 。這些區(qū)域特定的細(xì)胞類(lèi)型分布和相互作用將有助于了解疾病微環(huán)境中的潛在機(jī)制。

圖3E-G

參考文獻(xiàn)

Fan Z, Luo Y, Lu H, Wang T, Feng Y, Zhao W, Kim P, Zhou X (2022) SPASCER: spatial transcriptomics annotation at single-cell resolution. Nucleic Acids Res. Oct 16: 889. doi: 10.1093/nar/gkac889.