空间转录组技术是基于测序和成像方法结合的新一代技术,能够检测整个组织空间系统中所有或大多数基因表达水平,已被用在包括神经科学、发育、癌症、植物生物学等方面,大大提高了我们对一系列疾病发病机制的生物学见解。
本期小编为大家带来发表在Nature上的文章,从多角度介绍空间转录组的多项技术及其应用前景。
论著题目:Exploring tissue architecture using spatial transcriptomics
发表期刊:Nature
影响因子:69.504
本篇主要论述了以下3种空间转录组技术,分别为:
1、基于下一代测序(NGS)的技术,将位置信息编码到转录本上,其代表技术为Spatial transcriptomics(ST,10x 公司也称之为Visium);
2、基于原位测序(ISS)的方法,转录本在组织中进行扩增和测序;
3、基于原位杂交(ISH)的方法,成像探针在组织中按顺序杂交。
图1.空间转录组学技术提供了基因表达矩阵
这些不同的技术可以被视为趋同于一个基因表达矩阵,在每一个点(一个像素、一个细胞或一组细胞)捕获转录组信息。
不同空间技术方法对比
01基因数量
相比于ISH(针对性强,需要对感兴趣基因有提前的了解与认知),ST是基于NGS的方法,无差别捕获所有的转录本信息,因此非常适合探索新系统。此外,空间转录组也可以与scRNA-Seq结合使用,基于scRNA-Seq已将感兴趣的基因识别出来,进而可以更精确地定位。
02序列信息
基于高通量测序的过程实则为cDNA序列信息读取的过程,从而能够通过测序检测剪接异构体以及单核苷酸变异和点突变,并通过基因表达矩阵集和RNA速度或谱系追踪重构时间的过程。
03灵敏度
不同的实验技术通常在敏感性和基因数量之间有一个权衡,ST技术的灵敏度正在迅速提高到每平方微米约100个唯一转录本。而基于ISH的方法具有更高的敏感性但检测基因数量远低于ST技术。
04分辨率
由于原位方法的分辨率仅受光学衍射极限的限制,其分辨率已经达到~100nm,因此适合于解决少量指标的亚细胞的问题。而基于NGS的方法会受到探针点阵(spot)直径的限制,目前10x Genomics公司推出的商业化产品spot直径为55μm,可实现冰冻组织和FFPE样本的检测。
05组织大小
当然,不同的空间方法仍需在组织大小和成像时间之间进行权衡,原位方法虽然可以跨越很大的尺寸范围的样本,但基于NGS的方法空间转录组测序更具有标准化,其阵列大约为10平方毫米(Visium为6.5平方毫米),未来有望进一步扩大捕获面积。
06可行性
不同技术方法虽各有优势,但其广泛应用还存在一些待解决的问题,如单分子原位成像方法的获取以及捕获芯片探针阵列的制造优化等。
如何应用空间转录组学技术支持数据探索性分析呢?
基于测序的空间转录组技术提供了一个基因表达矩阵,接下来可以对其进行分析:数据通常需要排除低质量数据,并对基因表达矩阵进行初始转换,我们通常称之为数据的预处理部分,进而在每一个spot位置检测转录本总数和其特征,进行spot点阵的分群与定义,进而讨论分群的功能和生物学价值。
空间转录组也可用于生成假设与检验
基于ST技术获得的健康或病变组织的空间信息,可将数千个点或基因一起研究,从而利用数据集的高维性,得出可靠的生物学推论:如根据基因表达的模式推测存在的细胞类型或两种细胞的共定位情况等,这可能导致新的假设出现,后续可结合免疫荧光或原位杂交等技术进行验证。此外,研究可以将来自同一样本的多个部分的空间转录组学结合起来,以解释技术上的可变性。ST数据可以被纳入经典假设驱动的实验设计中,从而进行实验预测。
空间转录组学与其他技术的联合
随着ST技术分辨率和灵敏度的提高,ST数据与其他数据模式的联合分析可以为其更好的组织表征提供机会,如:
1、组织图像本身可以用于提取高分辨率信息,特别是当与组织病理学领域获得的大量知识相结合时,可以手动识别和注释区域;
2、在亚细胞分辨率下,染色质的空间信息可能为不同环境下基因表达的调控提供线索,将空间转录组数据集与基因组原位高通量成像和组织内组蛋白标记的空间分布整合在一起将是非常有价值的;
3、蛋白质协同检测等方式增强基因表达数据还可以揭示空间转录组学无法捕获的过程,如蛋白质的翻译后修饰和亚细胞定位及其在疾病中的失调等等。
技术进步与探索使得这些高通量蛋白质组学方法与空间转录组学相结合,将极大地提高我们研究组织复杂性的能力。
事实上,随着空间转录组技术变得越来越容易获得,它有望作为一种常规检测手段,与流式细胞术或scRNA测序媲美。
参考文献
doi: 10.1038/s41586-021-03634-9.
