近年來，空間技術的爆炸性增長使組織結構的空間異質性得以表征。先前存在兩個空間轉錄組學數據庫提供的分析信息有限。基因和細胞的空間異質性，空間中的細胞-細胞交流活動以及微環境中的細胞類型組成等信息是揭示腫瘤發生和胚胎分化機制的關鍵線索。本研究展示了一個名為SPASCER (https://ccsm.uth.edu/SPASCER) 的新的空間轉錄組學數據庫，旨在幫助理解組織組織的異質性，特定區域的微環境以及跨組織結構在多個層次上的細胞間相互作用。

技術路線：

主要研究結果：

1、SPASCER概述

目前，空間數據集成有兩種代表性資源，即SpatialDB和STOmicsDB。STOmicsDB僅提供與空間轉錄組學主題相關的文獻資料庫和很少的數據集，并且不使用這些數據提供任何進一步的分析。SpatialDB僅對10個主要基于HPRI的數據集。即seqFISH和MERFISH進行空間可變 (SV) 基因分析和富集分析。作者開發了一種新的數據庫SPASCER，以在單細胞水平上系統地研究組織的空間異質性及其相關的生物學過程。SPASCER提供了空間轉錄組學的系統注釋，包括 (i) 空間模型基因，(ii) 空間模型途徑，(iii) 基因調控網絡，(iv) 細胞-細胞相互作用 (v) 空間轉錄組學去卷積和相互作用。

SPASCER從43個研究中收集了1082個數據集，這些研究跨越了16個器官類型和4個物種（人，小鼠，雞和斑馬魚）（圖2A）。注釋了總共118種細胞類型，包括內皮、上皮、成纖維細胞和免疫細胞等。

檢測到的空間模式也可能反映組織組織和特定細胞類型分布。在一個腎臟小鼠模型中，作者發現基因Aadat顯示出清晰的空間結構模式（圖3A），并且參與了空間模型途徑“L-kynurenine metabolic process”（圖3B）。空間斑點聚類（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細胞（PT S3 OS）的分布有關。Aadat的空間格局在損傷后減少，并隨著修復過程而增加（圖S3B），這將有助于研究再生過程。因此，此數據庫提供了細胞類型標記基因，空間基因模式，空間途徑模式，基因調控網絡以及scRNA-seq和空間轉錄組學的細胞-細胞相互作用的豐富資源。

圖1 SPASCER的設計和構造

圖2A scRNA-seq的細胞數量（綠）和空間轉錄組學（紅）數據中的斑點大小代表數量的多少

圖3A-E 從SPASCER獲得的部分函數注釋示例結果

圖S3B 小鼠腎臟中Aadat的時間序列特征。

2、細胞類型類別

內皮細胞，上皮細胞，成纖維細胞和免疫細胞等是組織構建中的基本細胞類型。根據細胞類型的統計分析，內皮是大多數研究 (23/43) 中包括的主要細胞類型 (圖S2B)。在此數據庫中，包含內皮細胞的九個人體器官和六個小鼠器官。跨組織的內皮細胞的代表標記顯示在圖2B和C中。如這些圖所示，不同的組織表達獨特的標記基因，而聚腺苷酸結合蛋白1 (PABPC1) 在人和小鼠的多個組織中均高度表達（圖2B，C）。因此，這可能是一個潛在的研究點，因為目前沒有報道揭示聚腺苷酸結合蛋白1與內皮細胞之間的關系。

圖S2B 在多項研究中包含的9個主要細胞類型，括號中的數字代表研究數量。

圖2B，C：Violin plots顯示了人類和小鼠多個組織中組織特異性內皮標記基因的表達水平。

3、空間模式路徑類別

此類別提供了已鑒定的空間圖案化基因的豐富生物學途徑。總共，作者使用所有樣品確定了22條具有跨組織架構的空間模式的792通路（圖S4B）。對于腫瘤研究，“細胞遷移”，“細胞粘附”，“細胞分化”，“細胞增殖”，“白細胞遷移”等在腫瘤區域高度富集，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構組織。CCK (膽囊收縮素) 高度分布在人皮質的L2和L6層中，Aadat富集在小鼠腎臟的近端小管區域。作者還發現，損傷后2小時空間格局迅速下降，2天后幾乎消失，6周后恢復正常，這可能與近端小管的損傷和修復過程有關 (圖S3B)。這些檢測到的空間模式基因將有助于對組織組織的理解，而這些模式基因在時間序列組織中的動態變化將拓寬對組織發育，疾病進展和損傷再生的關鍵因素的了解。

圖S4B 已識別的空間模型路徑

4、轉錄因子調控網絡類別

本分類提供轉錄因子調節網絡信息。鑒定了697個關鍵調控因子和一系列潛在的靶基因，涉及總共97種細胞類型。將檢測到的潛在調控因子和靶基因定位到蛋白質-蛋白質相互作用中，以構建網絡。在該模塊中，用戶可以輸入感興趣的基因符號，以檢查該基因是否在多個組織中起調節作用，以及其潛在的靶基因。對于先前基于研究，作者使用熱圖提供了每種細胞類型中所有已識別的重要轉錄因子(圖3H)。該類別可以提供組織架構上下文的關鍵調節。

圖3H 在不同細胞類型中檢測到肥大規律。Hoxb3, z2f1和Foxo6是VSM細胞中的特異性TFs。

5、細胞與細胞相互作用類別

此類別在單細胞環境中提供了重要的配體-受體對。配體是一種與一個細胞釋放的生物分子形成復合物的物質，以發出自身或不同細胞的信號。當配體與其各自的受體結合時，生物活性會改變，從而引發幾種不同類型的細胞反應。使用scRNA-seq數據的細胞-細胞相互作用分析鑒定了135個細胞類型中1020獨特的配體-受體對。在網站中，作者提供了所有已識別的重要配體受體對以及相關的源細胞和靶細胞。對于基因的搜索，用戶可以搜索各個基因的相互作用伙伴和在各種細胞中的表達水平。對于基于紙張的瀏覽，用戶可以這樣做檢查網絡模塊中所有重要交互的單元類型。較厚的邊緣表示較強的相互作用。細胞活動取決于細胞-細胞相互作用，這對于組織穩態至關重要。異常的細胞-細胞相互作用可能導致組織紊亂甚至疾病。

6、空間反卷積與相互作用分析范疇

此類別通過反卷積分析提供高度豐富的細胞鄰域和相互作用。即使我們對每個斑點的細胞類型進行了預測，但在復雜的組織中，一個斑點對于一種以上的細胞類型可能具有較高的富集評分。因此，作者提供了每個數據集的富集熱圖，并基于Giotto聚類分析了spot-spot通信。使用來自scRNA-seq的注釋細胞類型，作者估計了單個細胞類型的分布。用戶可以搜索它們是否充當不同細胞中跨組織結構的配體或受體，還可以搜索估計的細胞類型分布以及它們是否與其他細胞通信。例如，在腎損傷研究中，空間反卷積分析結果顯示近端小管節段1 (PT S1) 和連接小管 (CNT) 分布在外層，而收集導管 (CD) 分布在內部區域 (圖3E)。。這些結果與H & E染色圖像的解剖結構一致。具體來說，其可以估計整個組織結構中不同的細胞-細胞相互作用模式 (圖3F)。作者發現CNT細胞與外層的PT S1高度相互作用，PT纖維蛋白原與中間區域的PT S3 OS相互作用，VSM與內部區域的CD IC細胞相互作用。在CD IC-VSM細胞中檢測到的配體-受體對中，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程，因為先前的研究表明這些趨化因子基因家族與炎癥和巨噬細胞相關的轉移有關 。這些區域特定的細胞類型分布和相互作用將有助于了解疾病微環境中的潛在機制。

圖3E-G

參考文獻

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.