本发明涉及空间转录组，特别是涉及一种单细胞空间转录组的三维构建方法、系统及终端。
背景技术：
1、近些年来，单细胞转录组技术极大的促进了分子细胞生物学研究的进展，这项技术可以从整体转录组水平研究单个细胞之间的相互作用。然而，在单细胞测序的同时，细胞的位置信息也随之丢失。对于发育生物学的研究，尤其是早期胚胎发育，细胞的位置信息在很大程度上决定了细胞的发育命运。
2、但是现有的空间转录组技术，存在一定缺陷，并未提供一种全面、完整、高精度以及在全基因组水平上研究早期胚胎发育各个胚层模式建成的时空动态分子表达模式的方式，不能实现将胚胎组织细胞或者外源的多能干细胞“还原”到体内胚胎的特定位置，无法实现将未知来源的细胞定位于体内胚胎的相应部位，因此亟需结合空间转录组技术、单细胞转录组技术及数学建模，建立小鼠胚胎发育原肠运动时期单细胞精度的全基因高分辨率数字化原位杂交图谱，以及交互性时空转录组数据库。
技术实现思路
1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单细胞空间转录组的三维构建方法、系统及终端，用于解决现有技术中以上技术问题。
2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单细胞空间转录组的三维构建方法，所述方法包括：利用空间转录组技术，对目标发育时期的胚胎进行分割，捕获位置特异性的空间转录组数据，累积获得目标数量的胚胎空间转录组样本；基于玉米图模型，根据各胚胎样本的空间转录组数据，获得各基因的二维空间表达模式；基于三维玉米图模型，根据各胚胎样本的空间转录组数据，获得各基因的三维空间表达模式；基于单细胞转录组数据以及各胚胎样本的空间转录组数据，利用多维单细胞映射模型将各单细胞映射到目标发育时期胚胎上，以确定单细胞的最佳映射位置；基于空间模拟模型，模拟早期胚胎不同胚层的形状，根据单细胞的最佳映射位置，进一步模拟获得单细胞精度的胚胎空间图谱；基于空间最优化模型，计算单细胞间的欧式距离，以模拟单细胞的三维空间分布图谱图谱。
3、于本发明的一实施例中，
4、利用空间转录组技术，对目标发育时期的胚胎进行分割，捕获位置特异性的空间转录组数据，累积获得目标数量的胚胎空间转录组样本，包括：按胚胎远近轴，将目标发育时期胚胎水平切割，获得按顺序排列的m层切片；基于胚层发育状态，对每一层切片分别进行激光显微切割，获得n个胚胎样本；对各胚胎样本做转录组测序，获得对应各胚胎样本的空间转录组数据；其中，基于胚层发育状态，对每一层切片分别进行激光显微切割包括：基于位于远近轴最远端的第一层切片的分割规则，根据第一层切片的发育状态，进行外胚层和内胚层的激光显微切割，每个切割区域作为一个胚胎样本；其中，所述第一层切片的切片分割规则包括：对外胚层的前端以及后端作为分割区域进行切割；将整个内胚层作为分割区域进行切割；基于第二层切片的分割规则，根据第二层切片的发育状态，进行外胚层、中胚层以及内胚层的激光显微切割，每个切割区域作为一个胚胎样本；其中，所述第二层切片的分割规则包括：对外胚层的前端、后端、左侧以及右侧作为分割区域进行分割切割；对中胚层的前端以及后端作为分割区域进行分割；对内胚层的前端以及后端作为分割区域进行切分割；基于标准分割规则，根据对除第一层以及第二层切片之外的其他层的发育状态，进行外胚层、中胚层以及内胚层的激光显微切割，每个切割区域作为一个胚胎样本；其中，所述标准分割规则包括：对外胚层的前端、后端、左侧前端、左侧后端、右侧前端以及右侧后端分别作为分割区域进行切割；对除第一层以及第二层之外的其他层的中胚层的前端以及后端作为分割区域进行切割；对除第一层以及第二层之外的其他层的内胚层的前端以及后端作为分割区域进行切割。
5、于本发明的一实施例中，所述根据各胚胎样本的空间转录组数据，获得各基因的二维空间表达模式包括：对于每一层激光显微切割的样本，按照胚胎的前后轴在平面上从左到右排列各胚胎样本；调节各胚胎样本之间的间距，赋予每一个胚胎样本的平面坐标；基于各基因在各样本的表达值高低分别为每个胚胎样本绘制对应的颜色，以获得各基因的二维空间表达模式。
6、于本发明的一实施例中，所述根据各胚胎样本的空间转录组数据，获得各基因的三维空间表达模式具体包括：将各胚胎样本映射到用于模拟胚胎形状的三维模型上，赋予每个胚胎样本三维空间坐标；基于各基因在各样本的表达值高低分别为每个胚胎样本绘制对应的颜色，以获得各基因的三维空间表达模式。
7、于本发明的一实施例中，所述基于单细胞转录组数据以及各胚胎样本的空间转录组数据，利用多维单细胞映射模型将各单细胞映射到目标发育时期胚胎上，以确定单细胞的最佳映射位置包括：基于单细胞转录组数据，提取具有空间表达特异性的标记基因，所述标记基因将目标胚胎划分为多个空间结构域；计算每个单细胞与胚胎样本间的斯皮尔曼相关系数；基于每个单细胞样本对应的斯皮尔曼相关系数，结合胚胎样本的三维空间坐标，计算每个单细胞对应的三维空间坐标；计算对应的三维空间坐标与每个胚胎样本三维空间坐标之间的距离，并将对应距离最小的胚胎样本的三维空间坐标作为对应单细胞的最佳映射位置。
8、于本发明的一实施例中，所述基于每个单细胞样本对应的斯皮尔曼相关系数，结合胚胎样本空间坐标，计算对应的三维空间坐标包括：选取每个单细胞样本对应的斯皮尔曼相关系数中最大的三个斯皮尔曼相关系数；结合胚胎样本的三维空间坐标，应用空间平滑算法，基于每个单细胞对应的最大的三个斯皮尔曼相关系数及对应的胚胎样本的三维空间坐标，分别计算每个单细胞的三维空间坐标。
9、于本发明的一实施例中，所述基于空间模拟模型，模拟早期胚胎不同胚层的形状，根据单细胞的最佳映射位置，进一步模拟获得单细胞精度的胚胎空间图谱包括：对目标发育时期胚胎的胚层形状进行模拟获得目标胚胎形状模型；建立圆环模型并分割圆环空间，以模拟空间转录组技术所分割的胚胎样本；基于单细胞的最佳映射位置，将单细胞定位到对应的胚胎样本位置，根据细胞类型，对单细胞绘制对应的颜色，同时根据各基因在单细胞的表达值高低，分别为每个单细胞绘制对应的颜色；基于单细胞的基因表达，利用冒泡算法，对每一个胚胎样本所在的圆环空间区域的单细胞进行空间重排，获得单细胞精度的胚胎空间图谱图谱图谱。
10、于本发明的一实施例中，所述基于空间最优化模型，计算单细胞间的欧式距离，以模拟单细胞的三维空间分布包括：提取单细胞精度的胚胎空间图谱中的各圆环空间区域内的单细胞基因表达谱并作对数转换；基于对数转换后的各圆环空间区域内的单细胞基因表达谱，计算每个圆环空间区域内每两个细胞间的欧式距离，并建立对应的欧式距离矩阵；提取每个欧式距离矩阵内单细胞间的最远的转录组距离以及圆环空间区域内的最大距离，对欧式距离矩阵作标准化处理，以获得标准化欧式距离矩阵；以各圆环空间区域函数作为约束条件，应用最小二乘法，根据对应标准化欧式距离矩阵模拟得到每一个细胞的最优化坐标，以获得单细胞的三维空间分布图谱图谱。
11、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单细胞空间转录组的三维构建系统，所述系统包括：分割模块，用于利用空间转录组技术，对目标发育时期的胚胎进行分割，捕获位置特异性的空间转录组数据，累积获得目标数量的胚胎空间转录组样本；二维空间表达模块，连接所述分割模块，用于根据各胚胎样本的空间转录组数据，获得各基因的二维空间表达模式；三维空间表达模块，连接所述分割模块，用于基于三维玉米图模型，根据各胚胎样本的空间转录组数据，获得各基因的三维空间表达模式；多维单细胞映射模块，连接所述分割模块以及三维空间表达模块，用于基于单细胞转录组数据以及各胚胎样本的空间转录组数据，利用多维单细胞映射模型将各单细胞映射到目标发育时期胚胎上，以确定单细胞的最佳映射位置；空间模拟模块，连接所述多维单细胞映射模块以及三维空间表达模块，用于基于空间模拟模型，模拟早期胚胎不同胚层的形状，根据单细胞的最佳映射位置，进一步模拟获得单细胞精度的胚胎空间图谱；空间优化模块，连接所述空间模拟模块，用于基于空间最优化模型，计算单细胞间的欧式距离，以模拟单细胞的三维空间分布图谱图谱。
12、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单细胞空间转录组的三维构建终端，包括：一或多个存储器及一或多个处理器；所述一或多个存储器，用于存储计算机程序；所述一或多个处理器，连接所述存储器，用于运行所述计算机程序以执行所述单细胞空间转录组的三维构建方法。
13、如上所述，本发明是一种单细胞空间转录组的三维构建方法、系统及终端，具有以下有益效果：本发明通过基于空间转录组技术捕获了具有位置特异性的空间转录组数据并基于建立的数学模型，三维重建了外、中、内三个胚层的空间转录组图谱，建立起百科全书式的全基因组时空表达数据库。本发明构建的空间转录组图谱实现了单细胞精度的全基因高分辨率数字化原位杂交图谱，是目前最全面、最完整、精度最高的交互性时空转录组数据库。
1.一种单细胞空间转录组的三维构建方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1中所述的单细胞空间转录组的三维构建方法，其特征在于，所述利用空间转录组技术，对目标发育时期的胚胎进行分割，捕获位置特异性的空间转录组数据，累积获得目标数量的胚胎空间转录组样本，包括：
3.根据权利要求1中所述的单细胞空间转录组的三维构建方法，其特征在于，所述根据各胚胎样本的空间转录组数据，获得各基因的二维空间表达模式包括：
4.根据权利要求1中所述的单细胞空间转录组的三维构建方法，其特征在于，所述根据各胚胎样本的空间转录组数据，获得各基因的三维空间表达模式具体包括：
5.根据权利要求4中所述的单细胞空间转录组的三维构建方法，其特征在于，所述基于单细胞转录组数据以及各胚胎样本的空间转录组数据，利用多维单细胞映射模型将各单细胞映射到目标发育时期胚胎上，以确定单细胞的最佳映射位置包括：
6.根据权利要求5中所述的单细胞空间转录组的三维构建方法，其特征在于，所述基于每个单细胞样本对应的斯皮尔曼相关系数，结合胚胎样本空间坐标，计算对应的三维空间坐标包括：
7.根据权利要求1中所述的单细胞空间转录组的三维构建方法，其特征在于，所述基于空间模拟模型，模拟早期胚胎不同胚层的形状，根据单细胞的最佳映射位置，进一步模拟获得单细胞精度的胚胎空间图谱包括：
8.根据权利要求7中所述的单细胞空间转录组的三维构建方法，其特征在于，所述基于空间最优化模型，计算单细胞间的欧式距离，以模拟单细胞的三维空间分布包括：
9.一种单细胞空间转录组的三维构建系统，其特征在于，所述系统包括：
10.一种单细胞空间转录组的三维构建终端，其特征在于，包括：一或多个存储器及一或多个处理器；
