本發(fā)明涉及空間轉(zhuǎn)錄組，特別是涉及一種單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組的三維構(gòu)建方法、系統(tǒng)及終端。

背景技術(shù)：

1、近些年來，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)極大的促進(jìn)了分子細(xì)胞生物學(xué)研究的進(jìn)展，這項(xiàng)技術(shù)可以從整體轉(zhuǎn)錄組水平研究單個細(xì)胞之間的相互作用。然而，在單細(xì)胞測序的同時，細(xì)胞的位置信息也隨之丟失。對于發(fā)育生物學(xué)的研究，尤其是早期胚胎發(fā)育，細(xì)胞的位置信息在很大程度上決定了細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)。

2、但是現(xiàn)有的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，存在一定缺陷，并未提供一種全面、完整、高精度以及在全基因組水平上研究早期胚胎發(fā)育各個胚層模式建成的時空動態(tài)分子表達(dá)模式的方式，不能實(shí)現(xiàn)將胚胎組織細(xì)胞或者外源的多能干細(xì)胞“還原”到體內(nèi)胚胎的特定位置，無法實(shí)現(xiàn)將未知來源的細(xì)胞定位于體內(nèi)胚胎的相應(yīng)部位，因此亟需結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)及數(shù)學(xué)建模，建立小鼠胚胎發(fā)育原腸運(yùn)動時期單細(xì)胞精度的全基因高分辨率數(shù)字化原位雜交圖譜，以及交互性時空轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組的三維構(gòu)建方法、系統(tǒng)及終端，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中以上技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組的三維構(gòu)建方法，所述方法包括：利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，對目標(biāo)發(fā)育時期的胚胎進(jìn)行分割，捕獲位置特異性的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，累積獲得目標(biāo)數(shù)量的胚胎空間轉(zhuǎn)錄組樣本；基于玉米圖模型，根據(jù)各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，獲得各基因的二維空間表達(dá)模式；基于三維玉米圖模型，根據(jù)各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，獲得各基因的三維空間表達(dá)模式；基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)以及各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，利用多維單細(xì)胞映射模型將各單細(xì)胞映射到目標(biāo)發(fā)育時期胚胎上，以確定單細(xì)胞的最佳映射位置；基于空間模擬模型，模擬早期胚胎不同胚層的形狀，根據(jù)單細(xì)胞的最佳映射位置，進(jìn)一步模擬獲得單細(xì)胞精度的胚胎空間圖譜；基于空間最優(yōu)化模型，計算單細(xì)胞間的歐式距離，以模擬單細(xì)胞的三維空間分布圖譜圖譜。

3、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，

4、利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，對目標(biāo)發(fā)育時期的胚胎進(jìn)行分割，捕獲位置特異性的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，累積獲得目標(biāo)數(shù)量的胚胎空間轉(zhuǎn)錄組樣本，包括：按胚胎遠(yuǎn)近軸，將目標(biāo)發(fā)育時期胚胎水平切割，獲得按順序排列的m層切片；基于胚層發(fā)育狀態(tài)，對每一層切片分別進(jìn)行激光顯微切割，獲得n個胚胎樣本；對各胚胎樣本做轉(zhuǎn)錄組測序，獲得對應(yīng)各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)；其中，基于胚層發(fā)育狀態(tài)，對每一層切片分別進(jìn)行激光顯微切割包括：基于位于遠(yuǎn)近軸最遠(yuǎn)端的第一層切片的分割規(guī)則，根據(jù)第一層切片的發(fā)育狀態(tài)，進(jìn)行外胚層和內(nèi)胚層的激光顯微切割，每個切割區(qū)域作為一個胚胎樣本；其中，所述第一層切片的切片分割規(guī)則包括：對外胚層的前端以及后端作為分割區(qū)域進(jìn)行切割；將整個內(nèi)胚層作為分割區(qū)域進(jìn)行切割；基于第二層切片的分割規(guī)則，根據(jù)第二層切片的發(fā)育狀態(tài)，進(jìn)行外胚層、中胚層以及內(nèi)胚層的激光顯微切割，每個切割區(qū)域作為一個胚胎樣本；其中，所述第二層切片的分割規(guī)則包括：對外胚層的前端、后端、左側(cè)以及右側(cè)作為分割區(qū)域進(jìn)行分割切割；對中胚層的前端以及后端作為分割區(qū)域進(jìn)行分割；對內(nèi)胚層的前端以及后端作為分割區(qū)域進(jìn)行切分割；基于標(biāo)準(zhǔn)分割規(guī)則，根據(jù)對除第一層以及第二層切片之外的其他層的發(fā)育狀態(tài)，進(jìn)行外胚層、中胚層以及內(nèi)胚層的激光顯微切割，每個切割區(qū)域作為一個胚胎樣本；其中，所述標(biāo)準(zhǔn)分割規(guī)則包括：對外胚層的前端、后端、左側(cè)前端、左側(cè)后端、右側(cè)前端以及右側(cè)后端分別作為分割區(qū)域進(jìn)行切割；對除第一層以及第二層之外的其他層的中胚層的前端以及后端作為分割區(qū)域進(jìn)行切割；對除第一層以及第二層之外的其他層的內(nèi)胚層的前端以及后端作為分割區(qū)域進(jìn)行切割。

5、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述根據(jù)各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，獲得各基因的二維空間表達(dá)模式包括：對于每一層激光顯微切割的樣本，按照胚胎的前后軸在平面上從左到右排列各胚胎樣本；調(diào)節(jié)各胚胎樣本之間的間距，賦予每一個胚胎樣本的平面坐標(biāo)；基于各基因在各樣本的表達(dá)值高低分別為每個胚胎樣本繪制對應(yīng)的顏色，以獲得各基因的二維空間表達(dá)模式。

6、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述根據(jù)各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，獲得各基因的三維空間表達(dá)模式具體包括：將各胚胎樣本映射到用于模擬胚胎形狀的三維模型上，賦予每個胚胎樣本三維空間坐標(biāo)；基于各基因在各樣本的表達(dá)值高低分別為每個胚胎樣本繪制對應(yīng)的顏色，以獲得各基因的三維空間表達(dá)模式。

7、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)以及各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，利用多維單細(xì)胞映射模型將各單細(xì)胞映射到目標(biāo)發(fā)育時期胚胎上，以確定單細(xì)胞的最佳映射位置包括：基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，提取具有空間表達(dá)特異性的標(biāo)記基因，所述標(biāo)記基因?qū)⒛繕?biāo)胚胎劃分為多個空間結(jié)構(gòu)域；計算每個單細(xì)胞與胚胎樣本間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)；基于每個單細(xì)胞樣本對應(yīng)的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)，結(jié)合胚胎樣本的三維空間坐標(biāo)，計算每個單細(xì)胞對應(yīng)的三維空間坐標(biāo)；計算對應(yīng)的三維空間坐標(biāo)與每個胚胎樣本三維空間坐標(biāo)之間的距離，并將對應(yīng)距離最小的胚胎樣本的三維空間坐標(biāo)作為對應(yīng)單細(xì)胞的最佳映射位置。

8、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述基于每個單細(xì)胞樣本對應(yīng)的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)，結(jié)合胚胎樣本空間坐標(biāo)，計算對應(yīng)的三維空間坐標(biāo)包括：選取每個單細(xì)胞樣本對應(yīng)的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)中最大的三個斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)；結(jié)合胚胎樣本的三維空間坐標(biāo)，應(yīng)用空間平滑算法，基于每個單細(xì)胞對應(yīng)的最大的三個斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)及對應(yīng)的胚胎樣本的三維空間坐標(biāo)，分別計算每個單細(xì)胞的三維空間坐標(biāo)。

9、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述基于空間模擬模型，模擬早期胚胎不同胚層的形狀，根據(jù)單細(xì)胞的最佳映射位置，進(jìn)一步模擬獲得單細(xì)胞精度的胚胎空間圖譜包括：對目標(biāo)發(fā)育時期胚胎的胚層形狀進(jìn)行模擬獲得目標(biāo)胚胎形狀模型；建立圓環(huán)模型并分割圓環(huán)空間，以模擬空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)所分割的胚胎樣本；基于單細(xì)胞的最佳映射位置，將單細(xì)胞定位到對應(yīng)的胚胎樣本位置，根據(jù)細(xì)胞類型，對單細(xì)胞繪制對應(yīng)的顏色，同時根據(jù)各基因在單細(xì)胞的表達(dá)值高低，分別為每個單細(xì)胞繪制對應(yīng)的顏色；基于單細(xì)胞的基因表達(dá)，利用冒泡算法，對每一個胚胎樣本所在的圓環(huán)空間區(qū)域的單細(xì)胞進(jìn)行空間重排，獲得單細(xì)胞精度的胚胎空間圖譜圖譜圖譜。

10、于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述基于空間最優(yōu)化模型，計算單細(xì)胞間的歐式距離，以模擬單細(xì)胞的三維空間分布包括：提取單細(xì)胞精度的胚胎空間圖譜中的各圓環(huán)空間區(qū)域內(nèi)的單細(xì)胞基因表達(dá)譜并作對數(shù)轉(zhuǎn)換；基于對數(shù)轉(zhuǎn)換后的各圓環(huán)空間區(qū)域內(nèi)的單細(xì)胞基因表達(dá)譜，計算每個圓環(huán)空間區(qū)域內(nèi)每兩個細(xì)胞間的歐式距離，并建立對應(yīng)的歐式距離矩陣；提取每個歐式距離矩陣內(nèi)單細(xì)胞間的最遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)錄組距離以及圓環(huán)空間區(qū)域內(nèi)的最大距離，對歐式距離矩陣作標(biāo)準(zhǔn)化處理，以獲得標(biāo)準(zhǔn)化歐式距離矩陣；以各圓環(huán)空間區(qū)域函數(shù)作為約束條件，應(yīng)用最小二乘法，根據(jù)對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化歐式距離矩陣模擬得到每一個細(xì)胞的最優(yōu)化坐標(biāo)，以獲得單細(xì)胞的三維空間分布圖譜圖譜。

11、為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組的三維構(gòu)建系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：分割模塊，用于利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，對目標(biāo)發(fā)育時期的胚胎進(jìn)行分割，捕獲位置特異性的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，累積獲得目標(biāo)數(shù)量的胚胎空間轉(zhuǎn)錄組樣本；二維空間表達(dá)模塊，連接所述分割模塊，用于根據(jù)各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，獲得各基因的二維空間表達(dá)模式；三維空間表達(dá)模塊，連接所述分割模塊，用于基于三維玉米圖模型，根據(jù)各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，獲得各基因的三維空間表達(dá)模式；多維單細(xì)胞映射模塊，連接所述分割模塊以及三維空間表達(dá)模塊，用于基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)以及各胚胎樣本的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，利用多維單細(xì)胞映射模型將各單細(xì)胞映射到目標(biāo)發(fā)育時期胚胎上，以確定單細(xì)胞的最佳映射位置；空間模擬模塊，連接所述多維單細(xì)胞映射模塊以及三維空間表達(dá)模塊，用于基于空間模擬模型，模擬早期胚胎不同胚層的形狀，根據(jù)單細(xì)胞的最佳映射位置，進(jìn)一步模擬獲得單細(xì)胞精度的胚胎空間圖譜；空間優(yōu)化模塊，連接所述空間模擬模塊，用于基于空間最優(yōu)化模型，計算單細(xì)胞間的歐式距離，以模擬單細(xì)胞的三維空間分布圖譜圖譜。

12、為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組的三維構(gòu)建終端，包括：一或多個存儲器及一或多個處理器；所述一或多個存儲器，用于存儲計算機(jī)程序；所述一或多個處理器，連接所述存儲器，用于運(yùn)行所述計算機(jī)程序以執(zhí)行所述單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組的三維構(gòu)建方法。

13、如上所述，本發(fā)明是一種單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組的三維構(gòu)建方法、系統(tǒng)及終端，具有以下有益效果：本發(fā)明通過基于空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)捕獲了具有位置特異性的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)并基于建立的數(shù)學(xué)模型，三維重建了外、中、內(nèi)三個胚層的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，建立起百科全書式的全基因組時空表達(dá)數(shù)據(jù)庫。本發(fā)明構(gòu)建的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞精度的全基因高分辨率數(shù)字化原位雜交圖譜，是目前最全面、最完整、精度最高的交互性時空轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫。