細胞時空分化軌跡?是指在個體發(fā)育過程中，細胞在不同時間和空間條件下的分化過程。細胞分化的軌跡推斷，能夠為研究組織發(fā)育、疾病進展提供重要見解。由于細胞位置和周圍環(huán)境的不同，細胞分化具有空間異質性。然而，現(xiàn)有很多方法忽視了細胞的空間分布，且僅限于解析簡單的發(fā)育路徑。

肽度TIMEDOO獲悉，北京時間2月4日，西南華大生命科學研究院科研團隊成功開發(fā)了推斷細胞時空分化軌跡的新算法SpaTrack，相關成果在線發(fā)表于Cell旗下子刊Cell Systems。該算法可充分整合細胞的轉錄組和空間信息，構建細胞分化的動態(tài)軌跡，為揭示組織發(fā)育、器官再生和疾病進展的動態(tài)研究提供了有效的方法支持與重要見解。

Cell Systems官網(wǎng)截圖

空間坐標和取樣時間可以作為補充轉錄組特征的重要約束條件，用于細胞分化的軌跡推斷。華大自主研發(fā)的時空組學技術Stereo-seq作為一種領先的高精度捕獲細胞時空組學的檢測技術，為研究團隊提供了細胞轉錄組和空間分布的精確信息。

基于最優(yōu)傳輸理論和單細胞空間轉錄組學，研究團隊開發(fā)新算法SpaTrack，自然地將空間距離納入細胞分化的成本測量中，能夠準確捕捉生物組織的局部分化細節(jié)、空間上不連續(xù)的分化軌跡。

利用算法優(yōu)勢，SpaTrack能夠實現(xiàn)以下幾個主要功能：（1）從單細胞空間轉錄組數(shù)據(jù)中，直接構建精細的細胞分化軌跡；（2）通過直接細胞映射，追蹤跨時間樣本的細胞分化軌跡；（3）通過建模預測轉錄因子在分化過程中對基因表達的調(diào)控關系，捕捉發(fā)育的驅動因素。

SpaTrack功能與原理示意圖

研究團隊對SpaTrack在多種模擬和真實的分化場景下進行了性能測試，并與多種現(xiàn)行方法進行比較，均表明SpaTrack在穩(wěn)定性和準確性上具有優(yōu)勢。進而，研究團隊將SpaTrack應用于多個生物系統(tǒng)的研究中，結果表明，SpaTrack在重建細胞分化軌跡、揭示相關分化事件和尋找驅動因素等方面表現(xiàn)出色，并幫助研究取得了新的發(fā)現(xiàn)。

舉例而言，研究團隊重構了蠑螈端腦的受損再生過程，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)育過程中，研究團隊觀察到多個關鍵前體細胞在多時間點樣本中的分化過程和空間協(xié)調(diào)特征；在腫瘤的生長和轉移過程的研究中，SpaTrack幫助發(fā)現(xiàn)了腫瘤的生長擴增表現(xiàn)出了空間異質性，其中一條以上皮間質轉化為特征的分化路徑，其腫瘤細胞發(fā)生了轉移，在淋巴結區(qū)域形成了轉移位的腫瘤。

應用SpaTrack揭示蠑螈腦損傷再生過程（A）、小鼠胚胎中腦發(fā)育過程（B）以及腫瘤生長和轉移過程（C）

文章共同通訊作者、西南華大生命科學研究院秦鵬飛副研究員表示，“以Stereo-seq為代表的時空組學技術極大推動了生物系統(tǒng)在發(fā)育分化問題上的研究，本次開發(fā)的新算法借助空間轉錄組信息，在解析組織發(fā)育和疾病進展的時空動態(tài)上取得了初步成效。接下來團隊將進一步實現(xiàn)時空多組學的融合，解析多源分化、復雜分化等復雜問題?！?/p>

研究團隊在GitHub上提供了SpaTrack的開源軟件和使用教程（https://github.com/yzf072/SpaTrack）。同時，該軟件也在華大時空云平臺STOmics Cloud上開放使用，賦能時空組學的應用和研究。

西南華大生命科學研究院秦鵬飛副研究員和吳靚研究員、深圳華大生命科學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、西南華大生命科學研究院工程師葉中飛、華大學院-南開大學聯(lián)合培養(yǎng)研究生袁中陽為該論文的共同第一作者。該項目得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、深圳市科技項目等基金的支持，同時也得到了國家基因庫（www.cngb.org）的支持。

文章鏈接：

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

編輯：李麗