单细胞转录组联合空间转录组测序技术揭示人类胚胎心脏的发育过程

A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart36.216

Cell . 2019 Dec 12;179(7):1647-1660.e19. doi: 10.1016/j.cell.2019.11.025.

Abstract

The process of cardiac morphogenesis in humans is incompletely understood. Its full characterization requires a deep exploration of the organ-wide orchestration of gene expression with a single-cell spatial resolution. Here, we present a molecular approach that reveals the comprehensive transcriptional landscape of cell types populating the embryonic heart at three developmental stages and that maps cell-type-specific gene expression to specific anatomical domains. Spatial transcriptomics identified unique gene profiles that correspond to distinct anatomical regions in each developmental stage. Human embryonic cardiac cell types identified by single-cell RNA sequencing confirmed and enriched the spatial annotation of embryonic cardiac gene expression. In situ sequencing was then used to refine these results and create a spatial subcellular map for the three developmental phases. Finally, we generated a publicly available web resource of the human developing heart to facilitate future studies on human cardiogenesis.

Keywords: gene expression; heart development; human development; human developmental cell atlas; in situ sequencing; single-cell RNA-sequencing; spatial transcriptomics; spatially resolved transcriptomics.


研究背景


受到传统转录组测序和单细胞转录组测序的限制，无法表征单细胞空间分辨率下的基因表达特征和细胞类型图谱，因此，对人类心脏的发育过程并不完全清楚。这篇文章，作者借助空间转录组测序技术探究人类心脏在发育过程中的基因表达特征和细胞图谱变化，发现对于每个发育阶段的不同解剖区域，都有独特的基因表达特征。结合单细胞转录组测序技术，作者进一步确定和丰富了胚胎心脏基因表达的空间注释信息，使用原位测序（In situ sequencing，ISS）来验证上述的结果，并为这三个发育阶段创建一个空间亚细胞图谱，为未来人类心脏发育的研究提供重要的借鉴意义。


研究路线


作者选取3个发育阶段（4.5–5，6.5和9 post-conception weeks(PCW)）的人类胚胎心脏进行空间转录组测序分析，选取6.5 PCW人类心脏进行单细胞转录组测序分析，以此揭示心脏发育过程中细胞的空间位置信息和基因表达特征。

图1 | 研究概览


研究结果

1. 人类心脏发育过程中基因的时空表达特征

作者首先通过免疫组织化学染色技术对心脏标本进行染色，获得人类心脏发育的时空概览（图2A-C），随后利用ST技术对获得的心脏样本进行空间转录组测序，获得空间分辨率下的基因表达特征。通过每个spot基因表达模式对三个阶段的spot进行降维和聚类，作者确定10个特定cluster和细胞类型（图2D），将各细胞类型对应的spots映射回组织切片中的原始坐标。作者发现这些簇与三个心脏中确定的解剖区域完全匹配（图2E-G）。

图2 | 三个心脏发育阶段的全局时空分析


2. 人类胚胎心脏单细胞基因表达分析

为了在单细胞分辨率下获得基因表达的异质性信息，作者对来自相同部位的6.5-7PCW的3717个人类心脏细胞进行单细胞转录组测序分析。通过皮尔森相关性分析显示，scRNA-seq和ST基因表达具有显著的相关性，说明两个样本为来自于同一个部位的两个生物学重复（图3A）。此外作者对单细胞转录组测序数据进行整合分析，通过已知的marker基因确定了15个细胞类型，且在心脏不同位置的细胞类型分布呈现显著多样性（图3B-C）。

图3 | 人类胚胎心脏的单细胞转录组测序分析


3. 绘制发育过程中心脏细胞基因表达图谱

为了阐明人类胚胎心脏中不同细胞类型的空间分布及其空间的异质性，作者利用ISS的亚细胞空间分辨率，分析ST的三种心脏组织，从而对具有单细胞分辨率的基因表达进行时空分析。作者使用ISS和pciSeq方法将ST数据和scRNA-seq数据进行整合，绘制出空间细胞图谱，利用细胞mapping算法，将scRNA-seq数据中单个细胞的数据映射到ST，从而实现在空间位置上定位单个细胞（图4A,C,E），最终作者发现，空间图谱上的20920个单细胞能够成功分配到scRNA-seq定义的细胞类型中（图4B,D）。空间单元映射证实了ST预测的簇的空间分布，并解决了不同细胞类型在靠近另一种细胞类型的情况下形成的更精细的结构。

图4 | 人类发育心脏的空间细胞图谱


4. 三个心脏发育阶段的靶向时空分析

作者发现ISS测序的结果与scRNA-seq和ST测序的细胞类型结果一致（图5A,B），并且能够更深入的挖掘单细胞转录组数据。深入的数据挖掘后，作者在cluster14中发现两种细胞亚型，表达ISL1基因的心脏神经嵴细胞和表达ALDH1A1基因的雪旺祖细胞（图5A），通过分析这些基因在三个发育阶段的ISS模式，作者发现心脏神经嵴细胞只存在于早期阶段，而雪旺祖细胞只存在于后期阶段（图5C,D），且这两种细胞类型在心脏不同位置上的分布具有明显的差异（图5E,F）。

图5 | 三个心脏发育阶段的靶向时空分析


5. 三维基因表达图谱

为了方便使用该文章的数据信息，作者构建了三维的心脏基因表达图谱，提供了一个公开的网络资源，以直观地探索调节人类心脏发育的空间基因表达模式（图6A,B）。

图6 | 三维基因表达图谱


研究结论


1. 探究了人类心脏发育过程中基因的时空表达模式；

2. 揭示人类胚胎心脏中细胞类型在空间组织中的分布特征；

3. 分析了不同细胞类型在心脏发育中的作用；

4. 建立人类胚胎心脏的公开网络资源。

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