​空间转录组学（Spatial Transcriptomics）是在二维平面上定位 mRNA-seq 数据的技术。常规的转录组测序可以揭示 mRNA 的表达信息，但无法获得准确定位；常规的染色显影技术以揭示特定组织区域的分子特征，但不包含准确、完整的 mRNA 表达谱信息。为了弥补这个技术缺憾，在一次实验中同时获取 RNA 的表达信息和 RNA 的空间位置，空间转录组学的方法便应运而生。2016年，空间转录组技术在 Science杂志上首度登场，在不久后的 2020 年就被 Nature Methods 杂志选为当年的年度方法（Methods of the Year），更在2022年短短五个月，相继发表于Cell, Nature, Science等高分期刊。
让我们先来回顾一下2022年发表的空间转录组学技术相关高分文章：

1、空间蛋白质基因组学揭示了独特的和进化上保守的肝巨噬细胞生态位
发表期刊：Cell
影响因子：66.85
发表时间：2022年1月11日
样本类型：肝（人），肝（小鼠）
文章链接：Spatial proteogenomics reveals distinct and evolutionarily conserved hepatic macrophage niches
肝脏是人体最大的实体器官，但它的特征仍不完全。本文利用空间转录组学技术，绘制了健康和肥胖的人类和小鼠肝脏的空间蛋白质基因组学图谱。通过整合这些多组数据集，本文提供了可靠的策略来可靠地区分和定位所有肝细胞，包括胆管中的脂质相关巨噬细胞(LAMs)群体。然后，通过对7个物种的图谱进行了比对，揭示了LAMs是由局部脂质暴露诱导的，导致它们在小鼠和人类肝脏的脂肪变性区域被诱导，而Kupffer细胞的发育关键依赖于它们通过进化上保守的ALK1-BMP9/10轴与肝星状细胞的串扰。

2、空间转录组学分析损伤后小鼠肠道的愈合情况
发表期刊：Nature Communications
影响因子：17.694
发表时间：2022年2月11日
样本类型：结肠（小鼠）
文章链接：The spatial transcriptomic landscape of the healing mouse intestine following damage
肠道屏障由一个复杂的细胞网络组成，定义了高度分隔和专门化的结构。本文使用空间转录组学来定义转录组学景观是如何在稳定状态和愈合的小鼠结肠中进行空间组织的。在稳定状态条件下，作者证明了一个以前未被重视的结肠分子区域，它在黏膜愈合过程中发生了显著的变化。此外，作者还发现p53激活的减少定义了随着上皮干细胞增殖的增加而存在的区域。最后，作者绘制了与人类疾病相关的转录组学模块，证明了该数据集的翻译潜力。总的来说，本文提供了一个公开的资源来定义结肠黏膜愈合过程中转录组区域。
3、空间转录组揭示小鼠大脑中的克隆关系
发表期刊：Nature Neuroscience
影响因子：28.771
发表时间：2022年2月24日
样本类型：大脑（小鼠）
文章链接: Clonal relations in the mouse brain revealed by single-cell and spatial transcriptomics
哺乳动物的大脑包含许多特殊的细胞，这些细胞由一片薄薄的神经上皮祖细胞发展而来。单细胞转录组学揭示了神经系统中数百种分子不同的细胞类型，但成熟细胞类型和祖细胞之间的谱系关系尚不清楚。本文利用空间转录组学技术，展示了早期祖细胞的体内条形码，同时分析小鼠大脑中的细胞表型和克隆关系。作者将空间转录组学与克隆条形码相结合，并在密集标记的组织切片中解开克隆相关细胞的迁移模式。该方法能够在单个动物的单细胞和组织水平上实现细胞表型和克隆关系的高通量密集重建，并为理解组织结构提供了一种集成的方法。 4、空间CRISPR基因组学识别肿瘤微环境的调控因子
发表期刊：Cell
影响因子：66.85
发表时间：2022年3月14日
样本类型：肺（小鼠），肿瘤
文章链接: Spatial CRISPR genomics identifies regulators of the tumor microenvironment
虽然CRISPR筛选有助于揭示调节许多细胞内在过程的基因，但现有的方法在识别细胞外基因功能方面是不理想的，特别是在组织环境中。本文开发了一种空间功能基因组学的方法，称为Perturb-map。作者在肺癌小鼠模型中同时敲除数十个基因，并同时评估每个敲除如何影响肿瘤生长、组织病理学和免疫组成。此外，作者将Perturb-map和空间转录组学配对，以对CRISPR编辑的肿瘤进行无偏分析，发现在Tgfbr2敲除肿瘤中，肿瘤微环境(TME)转化为纤维黏液状态，T细胞被排除，伴随TGFb和TGFb介导的成纤维细胞激活上调，表明癌细胞上TGFb受体的丢失增加了TGFb的生物利用度及其对TME的免疫抑制作用。这些研究建立了单细胞分辨率的组织内功能基因组学的空间结构，并为癌细胞的TGFb响应性提供了见解。

图4. 空间转录组学识别干扰特异性基因特征

5、人类远端肺图谱和谱系层次揭示了一个双能祖细胞
发表期刊：Nature
影响因子：69.504
发表时间：2022年3月30日
样本类型：肺（人）
文章链接:  Human distal lung maps and lineage hierarchies reveal a bipotent progenitor
绘制组成细胞的空间分布和分子特性对于理解健康和疾病中的组织动力学至关重要。本文利用空间转录组学技术，确定了分子上不同的TRB细胞类型。这些细胞包括气道相关的LGR5+纤维细胞和TRB特异性肺泡0型(AT0)细胞和TRB分泌细胞(TRB-SCs)。利用非人类灵长类动物肺损伤模型，以及人类类器官和组织标本，作者发现再生肺中的肺泡2型细胞短暂获得AT0状态，从该状态可以分化为肺泡1型细胞或TRB-SCs。该研究还揭示了驱动双能AT0细胞状态分化为正常或病理状态的机制。总之，该研究修改了人类肺细胞图谱和谱系轨迹，并揭示了灵长类肺再生和疾病的上皮过渡状态。

图5. 空间转录组学揭示远端气道中不同的上皮细胞类型

6、绘制从造血内皮到出生的人类造血干细胞图谱
发表期刊：Nature
影响因子：69.504
发表时间：2022年4月13日
样本类型：胚胎（人），干细胞（人）
文章链接: Mapping human haematopoietic stem cells from haemogenic endothelium to birth
人类造血干细胞(HSCs)的个体发育研究甚少，因为在不同的造血干细胞出现和成熟时无法识别它们。作者发现标记RUNX1+ HOXA9+ MLLT3+ MECOM+ HLF+ SPINK2+ 可在整个妊娠期区分造血干细胞和祖细胞。对不同成熟阶段的造血干细胞进行比较，发现在造血干细胞出现后，造血干细胞转录因子机制的建立，而其表面表型在整个发育过程中不断进化。星状细胞向肝脏的转变标志着一种分子转移，通过抑制表面抗原重新识别新生的星状细胞身份，获得星状细胞成熟标记CD133(由PROM1编码)和HLA-DR。利用空间转录组学和免疫荧光，作者在位于腹侧的主动脉内造血簇中观察了这一过程。人星状细胞个体发生的体内图谱验证了从人多能干细胞中产生主动脉-性腺-中肾样去造血干细胞和祖细胞，并为促进其向功能性造血干细胞的成熟提供了指导。 7、绘制跨器官人体免疫系统发育图谱
发表期刊：Science
影响因子：63.714
发表时间：2022年5月12日
样本类型：骨髓（人）、胎儿（人）、胸腺（人）、肠（人）、肾脏（人）、肝脏（人）、淋巴结（人）、脾脏（人）、皮肤（人）
文章链接: : Mapping the developing human immune system across organs
单细胞基因组学研究已经解码了几个人类产前器官的免疫细胞组成，但在理解免疫系统作为一个跨组织的分布式网络方面很有限。本文利用空间转录组学来重建9个产前组织，以重建发育中的人类免疫系统。这揭示了髓系和淋巴细胞亚群晚期获得免疫效应功能，以及单核细胞和T细胞的成熟。此外，作者还发现了除初级造血器官以外的全系统血液和免疫细胞的发育，以及人类产前B1细胞的特征，并阐明了非常规T细胞的起源。本研究的图谱提供了有价值的数据资源和生物学见解，这将促进细胞工程、再生医学和疾病的理解。
破译基因活动协调多细胞生物中复杂的细胞安排的原理和机制，对生命科学的研究具有深远的意义。测序技术和成像方法的进步，使得空间转录组学的力量可以用来系统性地衡量所有或大多数基因在组织空间的表达水平，并被用于研究神经科学，发育，以及调查一系列疾病包括癌症的发生发展。空间转录组学可以应用于多种样本，验证各种实验环境下的假设，例如正常组织(ST图谱)、发育或疾病的时间过程，以及干扰实验（遗传、药物或感染）等。 云序生物推出空间转录组学技术服务，助力您更好地了解生物学过程和疾病的空间定位。

空间转录组技术亮点优势：

• 通过分析同一组织切片的组织学特征和 mRNA空间表达情况，可以发现新的组织生物标志物。
• 通过转录组分析，可以揭示新发现的细胞流行、细胞状态和生物标志物的空间排布。
• 通过于预先设计的靶基因组合，可以验证之前发现的结果，或关注所有与靶基因相关的基因。
• 阐明生物学结构，并了解正常组织和病理组织中细胞之间的空间关系。
• 分析并了解基因表达的空间异质性，等等。

空间转录组测序技术原理：
在云序生物提供的空间转录组技术服务当中，透化和杂交步骤发生于玻片上的平面捕获区域，其中含有数千个圆点（spot）。在每个圆点中，玻璃基底上覆盖了数以百万计的寡核苷酸序列。这些附着在玻璃基底表面上的寡核苷酸序列末端存在 poly(dT)VN 结构，可以有效捕获含有 poly(A) 尾巴的 mRNA。不同的圆点中的寡核苷酸序列则拥有不同的“条形码”（Barcode）序列，以形成du一无二的位置定位信息。根据这些空间条形码序列，我们可以将 mRNA 测序结果回溯定位到特定的圆点坐标上，从而实现对 mRNA 表达谱信息的准确空间定位。
空间转录组测序技术步骤：
1.组织切片，获得约 10 um 厚度的切片
2.传统方法染色成像，如 H&E 染色和免疫荧光染色
3.组织透化（Permeabilization），以从细胞中释放 mRNA
4.杂交，以形成位置信息定位
5.建库和测序
6.数据分析和可视化
空间转录组测序技术样本要求：
云序生物推荐使用新鲜冰冻组织样品，需要满足以下几点要求：
1.样品份数
对于同一来源的样品，云序生物建议寄送3份，其中一份用于常规 RNA 提取质检，一份用于实际的空间转录组实验，一份留作备用。
2.样品量
每份样品约 6.5mm x 6.5mm x 6.5mm，相当于大约一颗绿豆大小。请勿提供过大或过小的样品，因为样品过大将造成制片困难，样品过小将导致常规 RNA 质检用量不足。
3.样品保存和运输
新鲜组织样本取下后要迅速用预冷的PBS溶液或生理盐水进行冲洗，去除组织表面残留，然后用干净的吸水纸吸干液体，放入用干冰预冷异wu烷（Isopentane）中速冻。切勿将组织直接放在液氮中速冻，以免造成严重形变。速冻后的组织，建议保存在密封的低温冷冻管中，以减少挥发和脱水。低温冷冻管可保存于-80°C冰箱，如需运输请使用干冰包裹。
4.样品物种
人：脑、乳腺、乳腺癌、心脏、肾脏、大肠、肺、肺癌、淋巴结、卵巢、脾、脊髓
小鼠：脑、眼睛、心脏、肾脏、大肠、肝、肺、嗅球、卵巢、四头肌、小肠、脾、胃、睾丸、甲状腺、舌
大鼠：脑、心脏、肾脏、嗅球
这些组织类型只代表目前内部测试优化的组织，其它组织也可能适用。