时空组学技术在动物领域的应用广泛且深入，该技术通过同时获取细胞的空间位置信息和基因表达数据，为理解动物组织细胞功能、器官发育过程、疾病病理学、物种进化等多个方面提供了重要的研究手段。进化生物学(evolutionary biology)是研究生物进化过程和生物群落特征的综合学科，包括生态学、行为学和分类学等。通过时空组学技术，可以在不同物种的发育过程中，比较基因表达的时空模式。这有助于识别保守的和特异的发育基因网络，揭示不同物种在进化过程中如何通过调控基因表达来实现细胞组成和功能的多样性。本期我们盘点了10篇近一年发表的物种进化方向的时空组学文章，这些成果发表期刊有Science(IF=44.7)、Nature Communications（IF=14.7）、Advanced Science（IF=14.3）、Nature ecology & evolution（IF=13.9）、Cell Reports（7.5）等，以及预印本系统bioRxiv、Research Square。研究的物种涉及人、大鼠、小鼠、狨猴、猕猴、文昌鱼、肺鱼、狗鲨、鸡、红耳龟等，涉及组织部位主要是小脑、大脑、肝脏、肺、胚胎等。接下来，我们一起来看看物种进化方向的时空组学应用进展吧！英文标题：Cross-species single-cell spatial transcriptomic atlases of the cerebellar cortexDOI：10.1126/science.ado3927发布时间：2024.09.26
单细胞核转录组：食蟹猴和狨猴的小脑组织；小鼠小脑组织单细胞核测序公共数据；空间转录组：小鼠：32张10μm冠状切片/100μm+29张冠状切片，共61张；狨猴：42张10μm冠状切片/250μm+53张冠状切片+24张矢状切片，共119张；猕猴：34张10μm冠状切片/500μm+6张冠状切片+9张矢状切片，共49张。共计229张切片，构建3个小脑3D图谱。① 灵长类小脑的分子和细胞组织仍然缺乏特征。本研究获得了猕猴、狨猴和小鼠小脑的单细胞空间转录组图谱，并鉴定了灵长类特异性细胞亚型，包括浦肯野细胞和分子层中间神经元，它们显示谷氨酸配体门控性钙通道 δ 型亚基2(GRID2)基因的不同表达。② 在所有物种的前部，后部和前庭区域都发现了不同的基因表达谱，而区域选择性基因表达主要在灵长类动物的颗粒层和小鼠的浦肯野层中观察到。③ 小脑皮层的基因表达梯度与清醒状态下功能性磁共振成像揭示的功能连接梯度密切吻合，灵长类动物之间的不同程度大于猕猴与小鼠之间。通过这些综合图谱和比较分析，为理解小脑的进化和功能奠定了基础。![]()
图1-对snRNA-seq和空间转录组数据的整合分析揭示了跨物种的保守细胞类型
英文标题：A single-cell atlas of pig gastrulation as a resource for comparative embryology发表期刊：Nature CommunicationsDOI：10.1038/s41467-024-49407-6发布时间：2024.06.18
单细胞转录组：23个合并样本的单细胞RNA测序，样本涵盖了62个猪胚胎，在E11.5到E15之间以12小时为间隔收集，相当于人Carnegie阶段（CS）6到10。E6.5–8.5小鼠胚胎、E20-29猴子胚胎单细胞转录组（公共数据）。① 在哺乳动物的胚胎发育过程中，胚胎形成阶段的细胞命运决策尚不清楚，尤其是在啮齿动物以外的胚胎中。猪胚胎的胚盘与人类相似，因此成为研究胚胎形成的理想模型。② 本研究呈现了猪胚胎形成的单细胞转录组图谱，揭示了细胞命运的动态变化，以及早期猪、灵长类和鼠类发育中保守和差异的基因程序。研究强调了在额外胚胎细胞类型中的异时性，尽管细胞类型特异的转录程序广泛保守。结合功能研究，概述了在确定内胚层特化过程中保守的空间、分子和时间事件。③ 研究发现，早期的FOXA2+/TBXT-胚胎盘细胞直接形成确定内胚层，而后期出现的FOXA2/TBXT+节点/脊索祖细胞则不同。与中胚层不同，这些祖细胞没有经历上皮-间质转变。内胚层/节点命运依赖于平衡的WNT信号和来自下胚层的NODAL信号，而NODAL在内胚层分化时被抑制。这些发现强调了在胚胎形成过程中，时间和空间信号在命运决定中的相互作用。![]()
图2-猪的单细胞图谱的概述![]()
英文标题：Single-cell RNA sequencing illuminates the ontogeny, conservation and diversification of cartilaginous and bony fish lymphocytes
发表期刊：Nature CommunicationsDOI：doi.org/10.1038/s41467-024-51761-4发表时间：2024.09.03
单细胞转录组：半滑舌鳎、斑马鱼、海条纹斑竹鲨的免疫器官（包括肝脏、脾脏和头肾）。① 阐明细胞结构和细胞类型在不同物种中的演化对于理解免疫系统功能和疾病易感性至关重要。适应性免疫是软骨鱼和硬骨鱼共同祖先的特征，但这两种有颌脊椎动物的淋巴细胞的演化特征仍不清楚。② 本研究提供了来自软骨鱼（条纹斑竹鲨）和硬骨鱼（斑马鱼和半滑舌鳎）的免疫细胞单细胞RNA测序图谱。跨物种比较显示，不同物种中的相同细胞类型具有相似的转录谱。③ 在竹鲨中，识别出一种表达多种模式识别受体的吞噬性B细胞群体，以及一个同时表达T细胞和B细胞标记的T细胞亚群。与硬骨鱼按功能划分不同，软骨鱼中的淋巴细胞之间联系紧密且功能专门化较差。本研究跨物种单细胞比较为揭示有颌动物免疫系统的起源和演化提供了资源。![]()
图3-条纹斑竹鲨、斑马鱼和半滑舌鳎免疫器官的单细胞图谱
英文标题：Cross-Species Insights into Trophoblast Invasion During Placentation Governed by Immune-Featured Trophoblast CellsDOI：10.1002/advs.202407221发表时间：2024.09.05
单细胞转录组：E9.5、E12.5和E15.5大鼠胎盘；P16、P20、P24、P28猪胎盘；正常和先兆子痫人胎盘① 胎盘的正常发育是成功妊娠的关键，胎盘是胚胎植入后形成的暂时支持器官。然而，滋养层细胞的侵袭调控机制在胎盘形成过程中仍然在很大程度上是未知。② 本研究使用大鼠、小鼠和猪作为生物医学模型，通过单细胞RNA测序比较阐明胎盘滋养层细胞侵袭的调控机制，并结合人类先兆子痫疾病模型和空间转录组学进行了验证。意外发现了一种具有免疫特征的双重功能滋养层细胞iTrophoblast。③ iTrophoblast仅存在于侵袭性胎盘中，并在胎盘形成过程中调节滋养层细胞的侵袭。在正常发育的胎盘中，iTrophoblast会逐渐从未成熟状态转变为功能成熟状态。然而，在发育异常的先兆子痫胎盘中，iTrophoblast的转变失调导致未成熟iTrophoblast的积累，从而干扰滋养层细胞的侵袭，最终导致先兆子痫的进展。![]()
图4-胎盘形成过程中胎盘细胞的跨物种比较分析英文标题：Single-cell analysis of the amphioxus hepatic caecum and vertebrate liver reveals genetic mechanisms of vertebrate liver evolution发表期刊：Nature ecology & evolution物种样本：七鳃鳗、竹鲨、多鳍鱼、肺鱼、牛蛙和人类的肝脏以及文昌鱼的肝盲囊DOI：10.1038/s41559-024-02510-9发表时间：2024.08.16
单细胞/单细胞核转录组：七鳃鳗、竹鲨、多鳍鱼、肺鱼、牛蛙和人类的肝脏以及文昌鱼的肝盲囊① 脊椎动物肝脏的进化是复杂器官进化的一个主要例子，但其背后的驱动遗传因素仍然是未知的。本研究通过整合了来自不同谱系的7个物种的258,736个单细胞/细胞核数据，发现脊椎动物肝脏的细胞组成是高度保守的，包括六种主要细胞类型，包括肝细胞（Hep）、胆管细胞（CCs，上皮细胞行胆管）、内皮细胞（End）、Kupffer细胞（KCs，肝脏特殊的巨噬细胞）、淋巴细胞（Lym）和星状细胞（SC，一种肝脏周细胞）。然而，在文昌鱼肝盲肠的~14万个细胞核中未检测到胆管细胞。② 本研究证实文昌鱼肝盲囊和脊椎动物肝脏是同源器官，且来自两轮全基因组复制的重复基因极大促进了脊椎动物肝脏的功能复杂性。重复基因Kdr和flt4在肝窦内皮细胞发育中发挥着重要作用。③ 本研究发现凝血和胆汁生成等与肝脏相关的功能是逐步形成的，基因重复在其中发挥着关键作用。研究团队重建了脊椎动物进化过程中血红素解毒从肝脏转移到脾脏的遗传足迹。④ 这些发现挑战了以往认为器官进化主要由调控元件驱动的假设，强调基因重复在复杂器官的出现和多样化中的重要性。![]()
图5-脊椎动物肝脏和文昌鱼肝盲囊的结构和scRNA/snRNA-seq分析![]()
英文标题：Molecular and spatial signatures of human and rat corpus cavernosum physiopathological processes at single-cell resolutionDOI：doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114760发表时间：2024.09.24
单细胞转录组：3例健康人类vs3例DMED人类；3只健康大鼠vs3只DMED大鼠百创S1000空转转录组：1例人类阴茎癌，1只健康大鼠，1只DMED大鼠① 阴茎海绵体（CC）微环境的组成和细胞异质性已经被表征，但在分子水平上的空间异质性仍然未被探索。② 本研究整合了单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组测序，以全面绘制人类和大鼠CC在正常和疾病状态下的空间细胞景观。研究发现人类和大鼠之间细胞亚型和标记基因的比例存在差异。基于对成纤维细胞（FB）生态位的分析，我们还发现机械力信号的富集评分在不同区域之间变化，并与FB亚型的空间分布相关。在体外，软和硬的细胞外基质（ECM）分别诱导FB分化为载脂蛋白（APO）+ FB和软骨寡聚基质蛋白（COMP）+ FB。③ 总之，本研究提供了一个跨物种和生理病理转录组图谱，促进了对阴茎勃起的分子解剖学和调控的进一步理解。![]()
图6-通过scRNA-seq和空间转录组技术得到的人类，以及正常/DMED条件下大鼠的CC细胞全局表达谱
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英文标题：Spatial and single-nucleus transcriptomics decoding the molecular landscape and cellular organization of avian optic tectumDOI：10.1016/j.isci.2024.109009发表时间：2024.01.26
空间转录组：鸽子视顶盖三个不同位置的组织切片，斑胸草雀顶盖两个临近位置的组织切片单细胞核转录组：鸽子、斑胸草雀视顶盖的深层（n=1）① 本研究应用空间转录组测序和单核RNA测序技术(snRNA-seq)探讨了两种鸟类的视顶盖(OT)的细胞组织结构和分子特征。确定了鸟类OT的精确层位结构，提供了鸟类OT的综合层位特征。② 此外，阐明了不同层次的不同功能，脑室周围灰质层(SGP)可能在OT的高级功能如恐惧反应和联想学习中起关键作用。描述了详细的神经元亚型，并鉴定了一群FOXG1+兴奋性神经元，类似于在小鼠新皮层中发现的那些，可能涉及新皮层相关功能和禽OT的扩展。这些发现有助于进一步理解OT的结构，阐明视知觉和多功能联想。![]()
图7-鸟类顶盖的实验设计与空间景观![]()
英文标题：Comparison of single-cell landscapes among three amniotes reveals conservation and innovation in avian immune systemsDOI：https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-5296203/v1发布时间：2023.10.31
单细胞转录组：成年白羽肉鸡和黑凤凰鸡36种组织；成年北京鸭：脾脏、法氏囊和肠道；成年红耳龟14种组织类型；人：32种组织类型(公共数据)空间转录组：鸡法氏囊和盲肠扁桃体(BMKMANU S1000)、9日龄的鸡胚胎① 本研究描述了一份全面的鸡参考图谱，涵盖了149种细胞类型的157万细胞，并提供了胚胎的空间转录组图谱。通过将其与人类和乌龟的120万单细胞整合，我们系统地探索了各种细胞类型的进化速率，特别是免疫细胞。鸡细胞的快速进化通常表现为基因调控网络的变化及其后续功能适应；② 在鸡中，滤泡树突状细胞在早期发育阶段出现，表现出髓样而非基质起源，与哺乳动物不同。这些细胞与单核吞噬细胞共享调控网络，并在鸡特有的法氏囊中促进B细胞增殖和迁移。利用空间转录组揭示了BSDCs与B细胞之间的相互作用，特别是通过CXCL13和TNFSF13B等信号通路促进B细胞的迁移和增殖。这种相互作用在法氏囊的B细胞发育中至关重要；③ 三种物种中γδT细胞的亚型和比例差异反映了羊膜动物中病原体识别和信号机制的进化。![]()
图8-羊膜细胞图谱和空间转录组图谱的概述英文标题：Origin and stepwise improvement of vertebrate lungs物种样本：多鳍鱼、肺鱼、牛蛙、鬃狮蜥、鸡、猪、人、小鼠、大鼠肺组织DOI：10.1038/s41467-023-39016-0
scRNA-seq:多鳍鱼、肺鱼、牛蛙、鬃狮蜥、鸡、猪、人、小鼠、大鼠等9个物种肺组织① 虽然大多数与肺相关的基因在软骨鱼类中已经存在，但肺的存在与否并不单纯依赖于这些基因的存在，而是与特定的调控元素和基因表达模式的变化密切相关。② 发现了特定于硬骨鱼的肺调控元件，这些元件可能在肺的形成中起到了关键作用。③ 哺乳动物特有的I型肺泡细胞（AT1细胞）及其相关基因sfta2的功能，强调了基因重复事件在脊椎动物肺结构起源和特化中的重要性。![]()
图9-对脊椎动物成熟肺和共享的高表达基因的比较分析![]()
英文标题：Genomic evolution reshapes cell type diversification in the amniote brainDOI：https://doi.org/10.1101/2024.06.24.600323发表时间：2024.06.27
物种：中华鳖（Pelodiscus sinensis）、斑胸草雀（Taeniopygia guttata）、鸽子（Columba livia）、小鼠（Mus musculus）、食蟹猴（Macaca fascicularis）空间转录组：中华鳖、斑胸草雀、小鼠的大脑冠状切片（间隔取2-3张），公共数据的其他物种脑数据① 在本研究中，研究人员创建了一个全面的单细胞图谱，其中包含来自中华鳖、斑胸草雀、鸽子、小鼠和猕猴的端脑和小脑的超过130万个细胞，采用单细胞分辨率空间转录组学来验证跨物种的基因表达模式。② 本研究揭示了细胞类型中显着的物种特异性变化，突出了它们在进化中的保守性和多样性。发现了鸟类和哺乳动物在端脑兴奋性神经元(EX)和小脑细胞类型上有明显差异。鸟类在EX中主要表达SLC17A6，而哺乳动物在新皮层中表达SLC17A7，在其他地方表达SLC17A6，可能是由于鸟类中SLC17A7功能丧失。③ 此外，本研究发现了一种新的鸟类特异性浦肯野细胞亚型（SVIL+），与学习和昼夜节律中的LSD11/KDM1A通路有关，并与鸟类中的许多正选基因相关，表明小脑功能在生态和行为适应方面的进化优化。本研究结果阐明了遗传进化和环境适应之间的复杂相互作用，强调了遗传多样性在羊膜动物特化细胞类型发育中的作用。![]()
图10-羊膜动物脑中细胞类型的保守性和多样性Ps:关注时空组学在物种进化研究请联系当地业务经理获取原文~
关于百迈客生物：
北京百迈客生物科技有限公司(简称：百迈客生物)成立于2009年，是一家提供基因多组学测序服务和单细胞组学&空间组学仪器设备的高新技术企业。业务主要包括科技服务、智能制造两大业务板块。全球化的业务布局，在中国、欧洲等地区拥有以博士和硕士为主体的研发及服务团队，先后在Cell、Nature、Science等国际期刊上发表文章数千篇，累计影响因子超万分。拥有Illumina、MGI、PacBio、Nanopore、AB SCIEX、Waters、BMK Manu、10X等二代测序、三代测序和质谱检测平台，自主创新的百灵实验室全自动生产线、BMKCloud多组学大数据智能交付平台及亚细胞级S系列空间组学产品，为全球科研单位、育种机构、医药公司等提供高品质基因多组学服务和产品。![]()
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