空间转录组共定位分析应用思路

摘要：生命活动往往并非由单一因素驱动，其本质在于多细胞与分子网络的协同作用。组织发育、细胞迁移及宿主免疫等复杂生物学过程，均依赖于不同细胞类型与功能基因在时空维度上的精密协作。这种动态互作可通过共定位分析直观呈现——通过解析空间转录图谱中细胞与基因的分布规律，研究它

前言

生命活动往往并非由单一因素驱动，其本质在于多细胞与分子网络的协同作用。组织发育、细胞迁移及宿主免疫等复杂生物学过程，均依赖于不同细胞类型与功能基因在时空维度上的精密协作。这种动态互作可通过 共定位分析 直观呈现——通过解析空间转录图谱中细胞与基因的分布规律，研究它们在组织中的空间邻近性或共现性，揭示其在组织微环境中的相互作用及功能关联，从而为深入解析生命现象的分子机制提供全新维度。

共定位分析

与基于定量数据的常规分析不同，共定位分析更侧重于对空间图谱的可视化解析。研究者需结合生物学背景，对细胞或分子在空间分布中的邻域关系、共现模式进行意义阐释，其结论本质上依赖于对功能关联的逻辑推断。根据分析对象差异，该技术可细化为 细胞互作定位、基因表达共现、以及基因细胞共定位 三大方向，通过多维度空间拓扑关系的交叉验证，为机制解析提供系统视角。

1）细胞与细胞的共定位分析

细胞的共定位特征反映了微环境中的细胞互作特征，细胞互作又有以下三种体现：

一是通过基因共表达分析鉴定出 细胞共定位 ，细胞与细胞的共定位体现了细胞功能上的协同。

二是广义的 细胞通讯 ，细胞之间分泌蛋白或者建立桥粒实现细胞通讯。这种情况下细胞之间会集中在一片区域，并且有比较高的共定位特征——两种细胞相邻分布或区域内spot都包含多种有互作关系的细胞类型。

三是细胞通讯的子类 细胞募集 ，一种细胞通过分泌蛋白引起另一种细胞的迁移，常见于免疫反应。细胞募集的特征是募集信号的产生，两种细胞类型并不能完全重合，发出募集信号的细胞分布可能比较少或弥散，受募集信号影响的细胞高度集中分布。

图1 细胞间共定位分析

2）基因与基因的共定位分析

基因是最基础的分子层面的特征表现，往往也是机制解析的最小单位。基因的共定位可以通过主观的认知来理解，也可以通过客观数据来呈现。基因与基因的共定位体现了基因之间的互作关系，通常指示以下两个生物学意义：

一是细胞通讯相关的 配受体关系 ，代表细胞间的旁分泌关系，共定位要求较宽松，不要求完全重合的定位，而是相近距离或极小区域的定位关系；在分布上可以与细胞间共定位形成照应，从细胞分布和基因分布两个层面验证细胞通讯的存在。

二是 转录调控关系 ，偏重于单个细胞内的基因调控网络，上承WGCNA、SCENIC的分析结果，共定位要求更严格，最好是完全重合的定位关系，以准确反映基因之间在转录调控层面的直接关联。有助于深入理解基因表达的调控机制，为研究细胞的分化、发育和疾病发生等提供关键的分子机制洞察。例如，在细胞分化过程中，某些转录因子与特定基因在细胞内的共定位，可揭示它们在细胞命运决定中的协同调控作用。

图2 基因间共定位分析

3）基因与细胞的共定位分析

基因与细胞的共定位分析聚焦于解析功能基因表达与特定细胞类型空间分布的内在关联。这种整合分析能够将分子特征、细胞异质性和组织表型进行三维映射，为揭示 “ 细胞类型-功能基因-表型效应 ” 的因果链条提供空间证据。根据生物学意义差异，其核心分析方向包括：

一是 功能基因 的细胞类型归属定位。当特定基因的表达位点与某类细胞的空间分布高度重合时，提示该基因的表达活性具有细胞类型特异性，可能是驱动表型变化的核心分子。例如肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）区域富集促血管生成基因（如VEGFA），可推测其通过旁分泌机制调控微环境。此类分析需结合空间分辨率的免疫荧光共定位等分子实验进行验证。

二是 配受体信号 的跨细胞定位：在细胞互作中，配体基因（如趋化因子CXCL12）常与来源细胞共定位，而受体基因（如CXCR4）则富集于邻近靶细胞区域，形成空间梯度分布，验证旁分泌/趋化效应的存在。此类共定位分析需关注基因表达热点与对应细胞分布区域的拓扑关系，通常要求配体基因与其来源细胞共定位，而受体基因与靶细胞在邻近区域富集。

图3 基因与细胞的共定位分析

应用思路

接下来，通过一篇24年4月发表在Cancer Cell（IF=48.8）的高分文章来为大家解读如何进行空间共定位分析，其中。。

1）细胞共定位揭示细胞间相互作用

该研究聚焦于癌症相关成纤维细胞（CAFs）在早期肿瘤微环境中的作用，通过单细胞和空间转录组学分析，在早期膀胱癌（BCa）中发现了一个先前未知的PDGFRα + ITGA11 + CAFs亚群，并通过临床队列分析证实其与早期BCa的淋巴血管侵犯（LVI）和不良预后相关。进一步通过空间转录组学分析将组织区域划分为11个亚群，通过基因特征评分分析发现PDGFRα + ITGA11 + CAFs与淋巴内皮细胞（LECs）在空间上共定位于同一亚群，且两者的特征评分呈显著正相关。此外，三维荧光成像显示二者的平均距离分别为12.5 μm（LVI阳性组）和45.3 μm（LVI阴性组）。以上结果表明PDGFRα + ITGA11 + CAFs在BCa组织中与淋巴管结构存在密切的空间关联，二者可能通过直接相互作用调控淋巴管生成。图4 PDGFRα + ITGA11 CAFs与LECs细胞的共定位为了进一步阐明PDGFRα + ITGA11 + CAFs与LECs的互作机制，通过空间转录组和免疫荧光分析，研究人员发现ITGA11（CAFs表面）与SELE（LECs表面）在BCa组织切片中存在显著的共定位信号。且在LVI阳性的BCa组织中，ITGA11和SELE的共定位信号明显增强。此外，重组蛋白结合实验显示ITGA11与SELE在细胞膜上的特异性结合。这也进一步表明PDGFRα + ITGA11 + CAFs通过ITGA11与SELE的相互作用，促进了淋巴管生成和肿瘤细胞的侵入。总之，以上结果通过多维度空间分析（特征评分、距离测量、分子互作）系统揭示了PDGFRα + ITGA11 + CAFs与淋巴管的共定位机制，并阐明ITGA11-SELE轴在LVI形成中的核心作用，为理解早期BCa转移的微环境调控提供了关键证据。

图5 ITGA11与SELE基因的共定位

小结

空间转录组共定位分析通过解析细胞与分子的空间拓扑关系，构建了 “ 细胞互作-分子调控-表型效应 ” 的多维研究框架。其核心在于综合运用细胞共定位（揭示微环境互作）、基因共定位（解析配受体/调控网络）及基因-细胞共定位（锚定功能基因的效应靶点）三类分析，全面揭示生物系统内的复杂互作网络。

参考文献

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