空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)是基于測(cè)序和成像方法結(jié)合的新一代技術(shù)，能夠檢測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)序（ISS）的方法，轉(zhuǎn)錄本在組織中進(jìn)行擴(kuò)增和測(cè)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。

不同空間技術(shù)方法對(duì)比

01、基因數(shù)量

相比于ISH（針對(duì)性強(qiáng)，需要對(duì)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(shí)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(cè)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(cè)序檢測(cè)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(cè)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(huì)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(cè)。

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(cè)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(shì)，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。

如何應(yīng)用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)支持?jǐn)?shù)據(jù)探索性分析呢？

基于測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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）

空間轉(zhuǎn)錄組也可用于生成假設(shè)與檢驗(yàn)

基于ST技術(shù)獲得的健康或病變組織的空間信息，可將數(shù)千個(gè)點(diǎn)或基因一起研究，從而利用數(shù)據(jù)集的高維性，得出可靠的生物學(xué)推論：如根據(jù)基因表達(dá)的模式推測(cè)存在的細(xì)胞類型或兩種細(xì)胞的共定位情況等，這可能導(dǎo)致新的假設(shè)出現(xiàn)，后續(xù)可結(jié)合免疫熒光或原位雜交等技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。此外，研究可以將來自同一樣本的多個(gè)部分的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)合起來，以解釋技術(shù)上的可變性。ST數(shù)據(jù)可以被納入經(jīng)典假設(shè)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)。

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)與其他技術(shù)的聯(lián)合

隨著ST技術(shù)分辨率和靈敏度的提高，ST數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)模式的聯(lián)合分析可以為其更好的組織表征提供機(jī)會(huì)，如：

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(shí)相結(jié)合時(shí)，可以手動(dòng)識(shí)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(cè)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(cè)手段，與流式細(xì)胞術(shù)或scRNA測(cè)序媲美。

參考文獻(xiàn)

doi: 10.1038/s41586-021-03634-9.

烈冰生物空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序服務(wù)

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