細(xì)胞時(shí)空分化軌跡?是指在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞在不同時(shí)間和空間條件下的分化過(guò)程。細(xì)胞分化的軌跡推斷，能夠?yàn)檠芯拷M織發(fā)育、疾病進(jìn)展提供重要見(jiàn)解。由于細(xì)胞位置和周?chē)h(huán)境的不同，細(xì)胞分化具有空間異質(zhì)性。然而，現(xiàn)有很多方法忽視了細(xì)胞的空間分布，且僅限于解析簡(jiǎn)單的發(fā)育路徑。

肽度TIMEDOO獲悉，北京時(shí)間2月4日，西南華大生命科學(xué)研究院科研團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了推斷細(xì)胞時(shí)空分化軌跡的新算法SpaTrack，相關(guān)成果在線發(fā)表于Cell旗下子刊Cell Systems。該算法可充分整合細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組和空間信息，構(gòu)建細(xì)胞分化的動(dòng)態(tài)軌跡，為揭示組織發(fā)育、器官再生和疾病進(jìn)展的動(dòng)態(tài)研究提供了有效的方法支持與重要見(jiàn)解。

Cell Systems官網(wǎng)截圖

空間坐標(biāo)和取樣時(shí)間可以作為補(bǔ)充轉(zhuǎn)錄組特征的重要約束條件，用于細(xì)胞分化的軌跡推斷。華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq作為一種領(lǐng)先的高精度捕獲細(xì)胞時(shí)空組學(xué)的檢測(cè)技術(shù)，為研究團(tuán)隊(duì)提供了細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和空間分布的精確信息。

基于最優(yōu)傳輸理論和單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)新算法SpaTrack，自然地將空間距離納入細(xì)胞分化的成本測(cè)量中，能夠準(zhǔn)確捕捉生物組織的局部分化細(xì)節(jié)、空間上不連續(xù)的分化軌跡。

利用算法優(yōu)勢(shì)，SpaTrack能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾個(gè)主要功能：（1）從單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中，直接構(gòu)建精細(xì)的細(xì)胞分化軌跡；（2）通過(guò)直接細(xì)胞映射，追蹤跨時(shí)間樣本的細(xì)胞分化軌跡；（3）通過(guò)建模預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)錄因子在分化過(guò)程中對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控關(guān)系，捕捉發(fā)育的驅(qū)動(dòng)因素。

SpaTrack功能與原理示意圖

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)SpaTrack在多種模擬和真實(shí)的分化場(chǎng)景下進(jìn)行了性能測(cè)試，并與多種現(xiàn)行方法進(jìn)行比較，均表明SpaTrack在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性上具有優(yōu)勢(shì)。進(jìn)而，研究團(tuán)隊(duì)將SpaTrack應(yīng)用于多個(gè)生物系統(tǒng)的研究中，結(jié)果表明，SpaTrack在重建細(xì)胞分化軌跡、揭示相關(guān)分化事件和尋找驅(qū)動(dòng)因素等方面表現(xiàn)出色，并幫助研究取得了新的發(fā)現(xiàn)。

舉例而言，研究團(tuán)隊(duì)重構(gòu)了蠑螈端腦的受損再生過(guò)程，揭示了蠑螈腦在損傷區(qū)域和正常區(qū)域不同的分化軌跡；在解析小鼠胚胎的中腦發(fā)育過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)觀察到多個(gè)關(guān)鍵前體細(xì)胞在多時(shí)間點(diǎn)樣本中的分化過(guò)程和空間協(xié)調(diào)特征；在腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移過(guò)程的研究中，SpaTrack幫助發(fā)現(xiàn)了腫瘤的生長(zhǎng)擴(kuò)增表現(xiàn)出了空間異質(zhì)性，其中一條以上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化為特征的分化路徑，其腫瘤細(xì)胞發(fā)生了轉(zhuǎn)移，在淋巴結(jié)區(qū)域形成了轉(zhuǎn)移位的腫瘤。

應(yīng)用SpaTrack揭示蠑螈腦損傷再生過(guò)程（A）、小鼠胚胎中腦發(fā)育過(guò)程（B）以及腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移過(guò)程（C）

文章共同通訊作者、西南華大生命科學(xué)研究院秦鵬飛副研究員表示，“以Stereo-seq為代表的時(shí)空組學(xué)技術(shù)極大推動(dòng)了生物系統(tǒng)在發(fā)育分化問(wèn)題上的研究，本次開(kāi)發(fā)的新算法借助空間轉(zhuǎn)錄組信息，在解析組織發(fā)育和疾病進(jìn)展的時(shí)空動(dòng)態(tài)上取得了初步成效。接下來(lái)團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)時(shí)空多組學(xué)的融合，解析多源分化、復(fù)雜分化等復(fù)雜問(wèn)題?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)在GitHub上提供了SpaTrack的開(kāi)源軟件和使用教程（https://github.com/yzf072/SpaTrack）。同時(shí)，該軟件也在華大時(shí)空云平臺(tái)STOmics Cloud上開(kāi)放使用，賦能時(shí)空組學(xué)的應(yīng)用和研究。

西南華大生命科學(xué)研究院秦鵬飛副研究員和吳靚研究員、深圳華大生命科學(xué)研究院朱紅梅和徐訊研究員為該論文的共同通訊作者。北京華大生命科學(xué)研究院沈旭楠博士、天津華大基因科技有限公司左璐璐博士、西南華大生命科學(xué)研究院工程師葉中飛、華大學(xué)院-南開(kāi)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生袁中陽(yáng)為該論文的共同第一作者。該項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技項(xiàng)目等基金的支持，同時(shí)也得到了國(guó)家基因庫(kù)（www.cngb.org）的支持。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405471225000274

編輯：李麗