空間轉(zhuǎn)錄組技術是基于測序和成像方法結(jié)合的新一代技術，能夠檢測整個組織空間系統(tǒng)中所有或大多數(shù)基因表達水平，已被用在包括神經(jīng)科學、發(fā)育、癌癥、植物生物學等方面，大大提高了我們對一系列疾病發(fā)病機制的生物學見解。

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)錄組的多項技術及其應用前景。

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，分別為：

1、基于下一代測序（NGS）的技術，將位置信息編碼到轉(zhuǎn)錄本上，其代表技術為Spatial transcriptomics（ST，10x 公司也稱之為Visium）；

2、基于原位測序（ISS）的方法，轉(zhuǎn)錄本在組織中進行擴增和測序；

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)錄組學技術提供了基因表達矩陣

這些不同的技術可以被視為趨同于一個基因表達矩陣，在每一個點（一個像素、一個細胞或一組細胞）捕獲轉(zhuǎn)錄組信息。

不同空間技術方法對比

01、基因數(shù)量

相比于ISH（針對性強，需要對感興趣基因有提前的了解與認知），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突變，并通過基因表達矩陣集和RNA速度或譜系追蹤重構(gòu)時間的過程。

03、靈敏度

不同的實驗技術通常在敏感性和基因數(shù)量之間有一個權(quán)衡，ST技術的靈敏度正在迅速提高到每平方微米約100個唯一轉(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)量遠低于ST技術。

04、分辨率

由于原位方法的分辨率僅受光學衍射極限的限制，其分辨率已經(jīng)達到~100nm，因此適合于解決少量指標的亞細胞的問題。而基于NGS的方法會受到探針點陣（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，可實現(xiàn)冰凍組織和FFPE樣本的檢測。

05、組織大小

當然，不同的空間方法仍需在組織大小和成像時間之間進行權(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)錄組測序更具有標準化，其陣列大約為10平方毫米(Visium為6.5平方毫米)，未來有望進一步擴大捕獲面積。

06、可行性

不同技術方法雖各有優(yōu)勢，但其廣泛應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。

如何應用空間轉(zhuǎn)錄組學技術支持數(shù)據(jù)探索性分析呢？

基于測序的空間轉(zhuǎn)錄組技術提供了一個基因表達矩陣，接下來可以對其進行分析：數(shù)據(jù)通常需要排除低質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對基因表達矩陣進行初始轉(zhuǎn)換，我們通常稱之為數(shù)據(jù)的預處理部分，進而在每一個spot位置檢測轉(zhuǎn)錄本總數(shù)和其特征，進行spot點陣的分群與定義，進而討論分群的功能和生物學價值。（詳細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與檢驗

基于ST技術獲得的健康或病變組織的空間信息，可將數(shù)千個點或基因一起研究，從而利用數(shù)據(jù)集的高維性，得出可靠的生物學推論：如根據(jù)基因表達的模式推測存在的細胞類型或兩種細胞的共定位情況等，這可能導致新的假設出現(xiàn)，后續(xù)可結(jié)合免疫熒光或原位雜交等技術進行驗證。此外，研究可以將來自同一樣本的多個部分的空間轉(zhuǎn)錄組學結(jié)合起來，以解釋技術上的可變性。ST數(shù)據(jù)可以被納入經(jīng)典假設驅(qū)動的實驗設計中，從而進行實驗預測。

空間轉(zhuǎn)錄組學與其他技術的聯(lián)合

隨著ST技術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會，如：

1、組織圖像本身可以用于提取高分辨率信息，特別是當與組織病理學領域獲得的大量知識相結(jié)合時，可以手動識別和注釋區(qū)域；

2、在亞細胞分辨率下，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)組蛋白標記的空間分布整合在一起將是非常有價值的；

3、蛋白質(zhì)協(xié)同檢測等方式增強基因表達數(shù)據(jù)還可以揭示空間轉(zhuǎn)錄組學無法捕獲的過程，如蛋白質(zhì)的翻譯后修飾和亞細胞定位及其在疾病中的失調(diào)等等。

技術進步與探索使得這些高通量蛋白質(zhì)組學方法與空間轉(zhuǎn)錄組學相結(jié)合，將極大地提高我們研究組織復雜性的能力。

事實上，隨著空間轉(zhuǎn)錄組技術變得越來越容易獲得，它有望作為一種常規(guī)檢測手段，與流式細胞術或scRNA測序媲美。

參考文獻

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

烈冰生物空間轉(zhuǎn)錄組測序服務

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