空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)是基于測序和成像方法結(jié)合的新一代技術(shù),能夠檢測整個(gè)組織空間系統(tǒng)中所有或大多數(shù)基因表達(dá)水平,已被用在包括神經(jīng)科學(xué)、發(fā)育、癌癥、植物生物學(xué)等方面,大大提高了我們對一系列疾病發(fā)病機(jī)制的生物學(xué)見解。
本期小編為大家?guī)戆l(fā)表在Nature上的文章,從多角度介紹空間轉(zhuǎn)錄組的多項(xiàng)技術(shù)及其應(yīng)用前景。
論著題目:Exploring tissue architecture using spatial transcriptomics
發(fā)表期刊:Nature
影響因子:69.504
本篇主要論述了以下3種空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù),分別為:
1、基于下一代測序(NGS)的技術(shù),將位置信息編碼到轉(zhuǎn)錄本上,其代表技術(shù)為Spatial transcriptomics(ST,10x 公司也稱之為Visium);
2、基于原位測序(ISS)的方法,轉(zhuǎn)錄本在組織中進(jìn)行擴(kuò)增和測序;
3、基于原位雜交(ISH)的方法,成像探針在組織中按順序雜交。
圖1.空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)提供了基因表達(dá)矩陣
這些不同的技術(shù)可以被視為趨同于一個(gè)基因表達(dá)矩陣,在每一個(gè)點(diǎn)(一個(gè)像素、一個(gè)細(xì)胞或一組細(xì)胞)捕獲轉(zhuǎn)錄組信息。
01、基因數(shù)量
相比于ISH(針對性強(qiáng),需要對感興趣基因有提前的了解與認(rèn)知),ST是基于NGS的方法,無差別捕獲所有的轉(zhuǎn)錄本信息,因此非常適合探索新系統(tǒng)。此外,空間轉(zhuǎn)錄組也可以與scRNA-Seq結(jié)合使用,基于scRNA-Seq已將感興趣的基因識別出來,進(jìn)而可以更精確地定位。
02、序列信息
基于高通量測序的過程實(shí)則為cDNA序列信息讀取的過程,從而能夠通過測序檢測剪接異構(gòu)體以及單核苷酸變異和點(diǎn)突變,并通過基因表達(dá)矩陣集和RNA速度或譜系追蹤重構(gòu)時(shí)間的過程。
03、靈敏度
不同的實(shí)驗(yàn)技術(shù)通常在敏感性和基因數(shù)量之間有一個(gè)權(quán)衡,ST技術(shù)的靈敏度正在迅速提高到每平方微米約100個(gè)唯一轉(zhuǎn)錄本。而基于ISH的方法具有更高的敏感性但檢測基因數(shù)量遠(yuǎn)低于ST技術(shù)。
04、分辨率
由于原位方法的分辨率僅受光學(xué)衍射極限的限制,其分辨率已經(jīng)達(dá)到~100nm,因此適合于解決少量指標(biāo)的亞細(xì)胞的問題。而基于NGS的方法會受到探針點(diǎn)陣(spot)直徑的限制,目前10x Genomics公司推出的商業(yè)化產(chǎn)品spot直徑為55μm,可實(shí)現(xiàn)冰凍組織和FFPE樣本的檢測。
05、組織大小
當(dāng)然,不同的空間方法仍需在組織大小和成像時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡,原位方法雖然可以跨越很大的尺寸范圍的樣本,但基于NGS的方法空間轉(zhuǎn)錄組測序更具有標(biāo)準(zhǔn)化,其陣列大約為10平方毫米(Visium為6.5平方毫米),未來有望進(jìn)一步擴(kuò)大捕獲面積。
06、可行性
不同技術(shù)方法雖各有優(yōu)勢,但其廣泛應(yīng)用還存在一些待解決的問題,如單分子原位成像方法的獲取以及捕獲芯片探針陣列的制造優(yōu)化等。
基于測序的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)提供了一個(gè)基因表達(dá)矩陣,接下來可以對其進(jìn)行分析:數(shù)據(jù)通常需要排除低質(zhì)量數(shù)據(jù),并對基因表達(dá)矩陣進(jìn)行初始轉(zhuǎn)換,我們通常稱之為數(shù)據(jù)的預(yù)處理部分,進(jìn)而在每一個(gè)spot位置檢測轉(zhuǎn)錄本總數(shù)和其特征,進(jìn)行spot點(diǎn)陣的分群與定義,進(jìn)而討論分群的功能和生物學(xué)價(jià)值。(詳細(xì)分析方法可參見往期數(shù)據(jù)分析介紹)
1、組織圖像本身可以用于提取高分辨率信息,特別是當(dāng)與組織病理學(xué)領(lǐng)域獲得的大量知識相結(jié)合時(shí),可以手動識別和注釋區(qū)域;
2、在亞細(xì)胞分辨率下,染色質(zhì)的空間信息可能為不同環(huán)境下基因表達(dá)的調(diào)控提供線索,將空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集與基因組原位高通量成像和組織內(nèi)組蛋白標(biāo)記的空間分布整合在一起將是非常有價(jià)值的;
3、蛋白質(zhì)協(xié)同檢測等方式增強(qiáng)基因表達(dá)數(shù)據(jù)還可以揭示空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)無法捕獲的過程,如蛋白質(zhì)的翻譯后修飾和亞細(xì)胞定位及其在疾病中的失調(diào)等等。
技術(shù)進(jìn)步與探索使得這些高通量蛋白質(zhì)組學(xué)方法與空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)相結(jié)合,將極大地提高我們研究組織復(fù)雜性的能力。
事實(shí)上,隨著空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)變得越來越容易獲得,它有望作為一種常規(guī)檢測手段,與流式細(xì)胞術(shù)或scRNA測序媲美。
參考文獻(xiàn)
doi: 10.1038/s41586-021-03634-9.
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