2018年新技术:空间转录组学技术【易科学前沿】

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    对于基因表达研究来说,空间一直都是具有挑战性的前沿研究领域。但是随着越来越多的研究人员获得了技术进展,这已经不再是令人望而生畏的领域了。这些方法的多样性和创造性使其成为一个值得关注的技术方向。

    空间基因表达对于理解组织中细胞的身份和功能至关重要。模式生物表达图谱,艾伦脑科学研究所的小鼠和人类大脑图集的备受欢迎也证明了空间基因表达的作用。然而,现有的图谱主要是通过报告基因或原位杂交这些低通量方法创建的,这些方法令构建参考文献非常费力,也限制了多样本评估。

    近期的一些新工具为空间研究提供了更大的灵活性和更高的通量,比如高级多重荧光原位杂交(highly multiplexed fluorescence in situ hybridization),成像切片或三维组织的原位测序(in situ sequencing),以及将基因表达投影到现有空间信息上的运算方法,这些都带来了与众不同的解决方案。

    而且技术创新不断出现,目前许多方法正在被优化,每种方法在简易性,速度,空间分辨率,定量准确性和基因数量等方面具有优势或者弱势。最近美国国立卫生研究院的人类生物分子图集计划(Human BioMolecular Atlas Program)也在这方面做出了不少技术贡献,他们已经将空间绘图(spatial mapping)作为了一个新目标。

    如何将基因表达数据整合到一个空间坐标系中,以及如何可视化和比较这些数据集,这对于生物信息学家们来说都很困难。迄今为止,这些问题的数据还很少。未来更多的数据生成和分析方面的改进将能令空间转录组学应用到更多的领域,并给生物学带来变革。

空间转录组测序新技术

    今年2月,中科院生物化学与细胞生物学研究所细胞生物学国家重点实验室等处的研究人员作建立了一种可以获得具有空间位置信息的少量细胞转录组图谱的技术方法:Geo-seq,这种方法不仅能解析少量细胞转录组信息,而且还能保留细胞原有位置信息。

    研究人员通过整合与优化单细胞测序和激光显微切割技术,构建了一种能够获得、同时保留细胞原有位置信息的测序方法:Geo-seq。Geo-seq是一种高效、高分辨率的空间转录组分析方案,既可用于转录图谱的三维重建,也可以用于研究具有特殊结构的少量组织或细胞的转录组信息。

    利用Geo-seq技术,这一课题组绘制了小鼠早期胚胎原肠运动中期精细的三维分子图谱,并揭示了小鼠细胞谱系蓝图建立过程中的空间转录组特征、转录因子和信号通路调控网络,这也就是上文提到的内容。研究人员由此构建了整个原肠运动中期高质量的全胚胎基因表达三维分子图谱,使得小鼠这一时期两万多个基因的表达能够以电子原位杂交的形式得到完全的呈现。更重要的是,该项工作还鉴定了一组能够代表E7.0时期发育状态和特异空间结构域的标志基因,这些基因具有类似“邮政编码”(zip code)的标记功能,可以将外源的多能干细胞或者胚胎组织细胞“投递”到体内胚胎的特定位置,从而将未知来源的干细胞定位于体内胚胎的相应部位。

可视化观察组织中的基因表达

    去年,瑞典团队合作开发出一种新的方法,能够分析所有RNA分子的数量,并且利用显微镜提供它们的空间信息。

    研究人员表示,将组织切片放在载玻片上,将DNA链与内置的标签连接在一起,就能够对活性基因产生的RNA分子进行标记。当他们分析组织样品中的RNA分子时,这些标签就会指向这些RNA分子存在于组织切片中哪些地方,同时他们也能够获得哪些地方不同的基因是有活性的高分辨率信息。

    利用这个方法,他们分析肿瘤样品,并证明这种方法不仅能提供关于癌症诊断中的疾病异质性的信息,而且也能够用于所有类型的组织和疾病中。


参考文献:

Spatial transcriptomic analysis of cryosectioned tissue samples with Geo-seq

Visualization and analysis of gene expression in tissue sections by spatial tranomics




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