小鼠出生后心脏发育的空间转录组学图谱解析

本研究利用Stereo-seq空间转录组技术，首次构建了小鼠出生后三个关键发育阶段（P0、P7、P56）心脏四腔室的空间转录组图谱，捕获了约18.6万个细胞的分子特征。研究揭示了心肌细胞、成纤维细胞等主要细胞类型的时空动态变化，为理解心脏成熟机制和先天性心脏病发病机理提供了高分辨率数据资源。

　　

哺乳动物心脏出生后的成熟过程涉及复杂的分子和细胞事件，但长期以来，科学家们对其中细胞类型的分子特征和相互作用网络缺乏系统认知。传统单细胞RNA测序（scRNA-seq）虽能解析细胞异质性，却丢失了关键的空间信息；而早期空间转录组技术又受限于分辨率不足，难以实现真正的单细胞水平分析。这种技术瓶颈严重阻碍了对心脏发育微环境、细胞间通讯等核心问题的研究。

针对这一挑战，由北京基因组研究所（BGI）团队领衔的研究在《Scientific Data》发表了突破性成果。研究采用自主研发的Stereo-seq（Spatio-Temporal Enhanced Resolution Omics-Sequencing）技术，以500-715纳米的分辨率绘制了小鼠出生后第0天（P0）、第7天（P7）和第56天（P56）心脏的空间转录组图谱。该技术结合DNA纳米球（DNB）芯片和原位RNA捕获，实现了单细胞水平的高通量空间转录组分析。

关键技术方法

研究选取C57BL/6小鼠三个发育阶段的心脏组织，通过冷冻切片制备样本。采用Stereo-seq技术平台，将组织切片固定在含空间条形码的DNB芯片上，经透化处理后进行原位cDNA合成。使用MGI DNBSEQ-Tx测序仪获得包含坐标信息（CID）和分子标签（MID）的测序数据，通过SAW分析流程（v5.1.4）处理原始数据，结合Scikit-image软件进行细胞分割。最终获得包含25万多个细胞的基因表达矩阵，用Seurat和SingleR进行细胞聚类与注释。

主要研究结果

数据质量验证

测序数据显示各阶段Clean Reads比例达60.78%-83.02%，Q30质量值超过87.95%。在Bin50分析单元中，P0阶段平均检测到1,469个基因类型，显著高于P56阶段的257个，反映发育早期更高的转录活性。

细胞类型时空图谱

研究鉴定出8种主要细胞类型：

• •

  心肌细胞占比从P0的60.70%降至P56的47.97%

• •

  成纤维细胞在P7阶段显著增加至33.42%

• •

  神经元比例从P0的6.02%上升至P56的16.88%

  

发育动态特征

通过UMAP聚类发现：

1. 1.

   P0阶段心肌细胞高表达收缩相关基因如Tnnt2

2. 2.

   P7阶段出现1660个脂肪细胞，标志代谢模式转变

3. 3.

   P56阶段免疫细胞（T细胞、巨噬细胞）浸润显著增加

空间分布规律

显示：

• •

  心肌细胞呈腔室特异性分布

• •

  神经元集中于心脏传导系统区域

• •

  成纤维细胞在心室间隔形成富集带

研究意义

该数据集首次在单细胞分辨率下揭示心脏发育的时空转录程序，其价值体现在：

1. 1.

   技术层面：验证了Stereo-seq在复杂器官研究中的优势，分辨率达500纳米，基因检测量超常规空间转录组技术

2. 2.

   理论层面：阐明了心肌细胞成熟过程中的代谢重编程现象，为先天性心脏病提供新的分子标记

3. 3.

   应用层面：数据已共享于STOmics DB（ID:STT0000090）和GEO（GSE298650），可作为心脏发育研究的基准数据集

这项研究由四川省科技计划（2024YFFK0180）等基金支持，标志着我国在空间组学技术应用领域取得重要突破，为心脏发育生物学和再生医学研究提供了全新视角。