摘要：为了助力科研人员利用前沿技术进行科研探索，华大时空特推出“细胞组学及时空组学联合研究”系列推文，将从发育、脑科学、植物、疾病等4个专题出发，详细讲解细胞组学及时空组学在以上领域的研究思路及经典案例。本篇为发育专题，下期将推出脑科学专题，敬请期待。

为了助力科研人员利用前沿技术进行科研探索，华大时空特推出“细胞组学及时空组学联合研究”系列推文，将从发育、脑科学、植物、疾病等4个专题出发，详细讲解细胞组学及时空组学在以上领域的研究思路及经典案例。本篇为发育专题，下期将推出脑科学专题，敬请期待。

在严格的时空调控下，脊椎动物胚胎在较短时间窗口内，通过基因表达和细胞状态的剧烈改变促成发育，这是一个复杂的动态过程。其中，转录因子、信号通路、细胞外基质等多种因素在细胞增殖分化和细胞命运决定过程中发挥着重要的调控作用。在时间和空间维度上，探究各个因素之间的分布关系和复杂调控，是解析胚胎发育的重要途径。

单细胞RNA测序技术为早期胚胎发育研究带来了革命性的突破，使研究人员得以在单个细胞层面深入洞察细胞异质性及发育进程中基因表达的动态变化。此技术不仅揭示了早期胚胎发育期间细胞命运抉择的奥秘，还阐明了基因表达调控网络的复杂交织以及细胞间相互作用的精细机制。随后，空间组学的兴起更是为科学家们装备了更为强大的研究手段。该技术能够在细胞和组织中原位检测基因表达，进而揭示细胞在空间维度上的异质性及其相互作用的精细图谱。空间组学的应用，为研究人员理解胚胎发育过程中细胞的空间布局、迁移路径、分化轨迹以及命运决定机制提供了全新的视角和深刻的见解。

细胞是人体结构和功能的基本单位。系统性地研究人体所有细胞的种类、功能以及分化路径对于研究人体发育、衰老以及疾病的产生具有重要意义。在过去的数百年时间里，科学家主要利用显微镜和流式分析等传统的检测手段，依靠若干表型特征对自然界里不同物种的细胞进行分类和鉴定。这些表型特征的选取往往引入了较多的主观偏见，无法详细和系统地研究所有器官各种细胞的分子学状态和分化路径。单细胞测序技术的出现对这一传统的细胞认知体系带来了革命性的变化，并能够对单个细胞内高丰度的基因转录物质进行无差别的分析，从而建立一个普适性的细胞分类系统。

经典案例一：小鼠原肠胚形成和早期器官发生的单细胞图谱

小鼠E6.5-E8.5处于原肠胚形成和早期器官发生的关键阶段。上胚层（epiblast）细胞在该阶段分化为形成所有主要器官的外胚层（ectodermal）、中胚层（mesodermal）和内胚层（endodermal）细胞。

2019年，剑桥大学的Berthold Göttgens教授团队为了研究该阶段细胞动态发生过程，在E6.5-E8.5之间每隔6小时进行取样，共收集411个小鼠胚胎样本进行scRNA-seq分析。质控聚类得到37个主要的细胞群体（图c），并发现不同类型的细胞的出现与采样的时间点存在关联。此外，研究结果发现多能外胚层细胞的比例随着时间减少；中胚层和定形内胚层细胞最早在E6.75时期出现；从E7.5开始，随着器官发生过程开启，外胚层细胞出现，并伴随各胚层细胞类型的多样化（图d）。

经典案例二：系统重建小鼠胚胎发生的细胞轨迹

2022年，华盛顿大学的Jay Shendure教授带领团队精心梳理并整合了多个单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集，这些数据集覆盖了小鼠从原肠胚形成到器官发生的整个发育过程。为了进一步完善数据集，团队还利用E8.5阶段的小鼠胚胎生成了新的数据，并进行了细致的胚胎分期。

通过系统地整合来自三项研究的资料，他们构建了一个庞大的数据集，其中囊括了从E3.5到E13.5这19个发育阶段的480个样本，并进行了更为深入的测序分析。在每个发育阶段，研究人员都进行了数据预处理工作，通过聚类分析以及基于标记基因表达的细致手动注释，对单个聚类进行了精准划分。他们将“细胞状态”定义为特定发育阶段的注释集群，并最终确定了19个发育阶段中的413种细胞状态，同时将这些细胞状态与它们可能的祖先和后代细胞状态建立了联系。此外，研究人员还运用先进的算法，将相邻发育阶段的细胞映射到一个共享的嵌入空间中，进而采用基于K最近邻的方法，成功连接了相邻阶段之间的细胞状态。这一系列的努力最终使得研究团队重建出小鼠从E3.5到E13.5这一关键发育时期胚胎发生的细胞轨迹。

相较于单细胞测序技术，空间转录组学技术具备一项独特优势：它能够在组织切片中精准地保留mRNA的空间位置信息。这一特性使得该技术能够在细胞层面上，全面解析mRNA表达的复杂图景，进而深入揭示细胞间的精细相互作用以及组织结构的内在奥秘。通过空间转录组学，科学家们得以窥探组织模式形成的分子机制以及器官形态发生的微妙过程，为理解组织器官发育的深层次机理提供了不可或缺的关键信息。

在生物体的发育历程中，空间转录组学技术能够清晰地揭示细胞如何在组织内部相互作用，并响应其周围的微环境变化。这一能力对于深化我们对细胞如何适应并调整其周围环境变化的理解至关重要。此外，空间数据的聚类分析在解析具有特定空间分布模式的稀有细胞状态方面展现出了卓越的性能，这对于研究组织内部细胞异质性的复杂性和多样性具有极其重要的意义。

经典案例三：利用DNA纳米球模式阵列研究小鼠器官发生的时空转录组图谱

2022年，深圳华大生命科学研究院主导，联合国内外多个单位，利用华大自主时空组学技术Stereo-seq，解析了在小鼠胚胎发育过程中的转录组表达的时空动态变化，并建立了小鼠器官发生的时空转录组图谱(mouse organogenesis spatiotemporal transcriptomic atlas, MOSTA；https://db.cngb.org/stomics/mosta/），展示了该技术的研究应用潜力。

该图谱包含了53个矢状切片，解析了小鼠胚胎发育过程中，从E9.5到E16.5间共8个时间点内全胚胎范围的转录组时空动态变化。其中13个切片来自同一个E16.5胚胎的不同切面，最终构建了接近胚胎发育终末期的三维空间转录组图谱。

经典案例四：发育中的果蝇胚胎和幼虫的高分辨率三维时空转录组图

2022年，深圳华大生命科学研究院联合南方科技大学等单位，基于华大自主研发的高分辨率时空组学技术Stereo-seq，对果蝇样本的连续切片进行测序。通过生物信息学分析，他们成功构建了果蝇晚期胚胎及幼虫期的三维转录本模型，鉴定了果蝇主要器官的功能亚区，并通过探究果蝇精子发生过程中关键基因的空间动力学机制，绘制了果蝇发育的空间转录调控网络。

经典案例五：人类原肠胚的三维重建

原肠胚的形成是囊胚内胚细胞迁移、转变形成复杂精妙的多维结构的过程，它奠定了不同细胞谱系与空间模式的基石。当前研究多依赖模式动物、灵长类囊胚体外培养或多能干细胞的胚胎模型，但这些方法都难以帮助直接理解人类原肠胚的奥秘。同时，已有数据集缺乏空间定位信息，难以精确界定细胞亚型，实现完整定位。因此，系统性地揭示人类原肠胚形成过程中的基本细胞和分子特征是一项艰巨而独特的挑战，亟待科学家深入探索与攻克。

2024年，中国科学院动物研究所、中国农业大学等单位联合对形态完整的CS8人类胚胎沿着前后(A-P)轴进行冷冻横切，以1片为间隔，共获取62张横向切片进行Stereo-seq时空转录组实验，形成整个胚胎的空间转录组图谱。通过构建完整的CS8人类胚胎3D模型，将单个细胞的空间信息与其基因表达谱相结合，系统描绘了胚胎形态、细胞类群、空间位置和转录组特征，准确注释了不同的细胞亚型。更深度解析了重要胚外组织羊膜细胞发育过程和卵黄囊造血谱系特化，重点发现了参与早期发育的不同信号通路采用不同的策略沿胚胎A-P轴建立差异激活的特点。这项研究不仅可以确定人类原肠胚形成过程的关键细胞和分子特征，还可以指导今后干细胞衍生的人类胚胎模型的生成。

单细胞RNA测序和时空组学技术的联合应用方案在解析细胞异质性和组织结构方面具有突出优势。首先，两种技术结合可以完成细胞异质性与空间定位的双重解析。具体而言，scRNA-seq技术能够揭示细胞种群内的异质性，发现新的细胞类型和状态，而时空组学技术Stereo-seq则能保留细胞的空间位置信息，两者结合可以更全面地理解细胞间相互作用和组织结构；针对不同发育期动态过程研究，scRNA-seq适用于研究细胞分化、增殖等动态过程中的基因表达变化，而Stereo-seq能够揭示这些过程中细胞的空间重排和迁移，为理解复杂生物过程提供更多维度的数据。

时空组学技术Stereo-seq提供了更高的空间分辨率和更大的捕获面积，结合scRNA-seq的高灵敏度，可以更精确地分析组织内细胞的空间分布和功能。通过整合单细胞转录组数据和时空组学数据，可以构建组织的三维空间转录组图谱，这对于理解器官发育、疾病进程中的细胞间通讯和微环境变化至关重要。而多组学的整合分析，可以提高研究的准确性：时空组学技术能够减少单细胞测序过程中细胞间通讯网络被打破的问题，通过保留细胞的空间位置信息，提高了研究结果的准确性和生物学意义。

综上所述，单细胞及时空组学技术的联合研究方案通过提供细胞的基因表达信息和空间位置信息，为生命科学和医学研究提供了强大的工具，特别是在细胞异质性、组织结构、疾病机制和发育生物学等领域展现出巨大的潜力。

经典案例六：Stereo-seq绘制斑马鱼胚胎的时空图谱和发育轨迹

2022年，深圳华大生命科学研究院联合华中农业大学等团队，利用华大自主研发的Stereo-seq时空组学技术，结合多切片策略，在单细胞分辨率水平上，选取了受精后24h内6个关键发育时间点的斑马鱼胚胎，对共91张矢状面冰冻切片进行了Stereo-seq分析，搭建了斑马鱼早期胚胎发生时空转录组图谱的在线开放资源库ZESTA (https://db.cngb.org/stomics/zesta/)。

随后，利用基于计算基因表达空间分布相似性的空间共变基因模块，探究了空间功能区域间的相互调控作用，并对每个关键发育时间点的Stereo-seq和scRNA-seq数据进行整合，构建了斑马鱼胚胎发育过程中细胞命运转变和细胞分子变化的时空发育轨迹，探索性地研究了细胞空间微环境与分化方向之间的关联。最后，研究人员分析了斑马鱼胚胎发生过程中不同潜在互作配体-受体对的动态空间分布，发现了新的配体-受体对互作模式，揭示了潜在的胚胎发育调控机制。

经典案例七：Stereo-seq助力绘制不同发育阶段小鼠心脏的单细胞时空图谱

心脏传导系统（ Cardiac Conduction System，CCS）通过启动和协调心脏的兴奋和收缩，在心脏生理功能中起着至关重要的作用。CCS的发育异常会导致心律失常，包括心动过速（如Wolff-Parkinson White综合征）和心动过缓（如病态窦房结综合征和房室传导阻滞）。深入了解CCS在发育过程中的形态发生和成熟，以及细胞类型异质性的生理机制，对于理解这些节律性疾病的发病机制至关重要。然而，目前对不同类型的细胞何时以及如何形成CCS的不同组成部分的理解仍然有限。

2023年，英国牛津大学、西南医科大学、美国印第安纳大学医学院及华大生命科学研究院合作，采用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq结合scRNA-seq技术，分别分析在特定时间点E12.5、E14.5、P3和P56，以及E8.5、E10.5、E12.5、E14.5、E16.5和P3采集的小鼠胚胎或心脏组织样本。

研究人员利用scRNA-seq结合Stereo-seq技术（图1a），对发育中的小鼠心脏细胞类型进行研究，绘制了小鼠心脏的单细胞时空转录组图谱，提供了心脏传导系统的全景视野。该研究首次发现和鉴定了一群特定的Dbh+儿茶酚胺能心肌细胞群，及其空间分布和细胞功能，揭示了其在发育及成熟小鼠心脏传导系统结构和功能中的作用，加深了对心脏传导机制的理解，并为进一步研究心血管生物学及其对心脏疾病和心律失常的潜在影响奠定了基础。

近年来，单细胞和空间转录组学技术逐渐成为早期胚胎与器官发育研究的关键，它们有助于深入分析发育过程中不同时期细胞类型的异质性以及谱系变化，其研究成果不仅有助于理解生命过程的本质，还可帮助研究人员从根本上认识各种生殖发育缺陷和疾病的产生原因，为诊断、预防和治疗提供新的理论和途径。

Stereo-seq是研究高分辨率空间多组学数据的前沿技术，华大时空组学近期发布的时空转录组FF V1.3是能够同时以纳米级分辨率和厘米级全景视场实现从“组织到数据 ”的整体解决方案，适用于新鲜冷冻（Fresh Frozen, FF）样本。该产品方案可有效帮助研究人员，利用更高效的生化流程捕获更多的基因，实现对基因和细胞变化过程的精准解析。

在保持Stereo-seq高检测分辨率的基础上，升级后的时空转录组FF V1.3产品方案的整体性能更优异，可助力研究人员轻松获得更多高质量数据，结合全新升级的数据分析工具，真正实现Cellbin水平深入探索和揭示细胞基因表达的奥秘。

来源：平安果育儿