Cell | 空间转录组学可视化新方法：Seq-Scope

撰文 | 十一月

空间条形码技术有巨大的潜力可以用于揭示转录组谱的组织学的细节信息。然而，该技术目前还受到分辨率较低等问题的限制。

近日，美国密歇根大学医学院Jun Hee Lee研究组发文题为 Microscopic examination of spatial transcriptome using Seq-Scope ， 建立了Seq-Scope的方法，可以利用空间条形码和Illumina测序平台实现亚微米分辨率的空间转录组学，使各种组织中细胞和亚细胞水平转录组学异质性可视化称为可能。

光镜和电子显微镜的发展对现代组织学的发展做出了重大贡献 【1】 ，蛋白质以及mRNA检测技术比如免疫组化以及RNA原位杂交等技术的发展又进一步允许在组织切片中对特定的生物分子进行检查 【2】 。这些技术进步加强了我们对各种病理生理过程的理解，并使各种疾病的分子诊断方法得以发展。但标准的免疫组化和RNA原位杂交一次只能检测一个或少数目标分子种类。因此，从一次实验中获得的信息量是有限的。为了克服这一问题，新兴的空间转录组学 （Spatial transcriptomics，ST） 技术应运而生，可以从单个组织学切片上检查基因组表达的所有基因。目前空间转录组学的方法主要包括三种，第一，序列原位杂交法通常与组合多路杂交相结合，可以增加从单个组织切片中检测到的RNA种类的数量。其次，原位测序可以通过基于荧光的直接测序来识别组织中的RNA序列。最后，空间条形码 （Spatial barcoding） 方法通过使用空间条形码寡核苷酸阵列捕获组织RNA，将RNA序列及其空间位置关联起来。其中空间条形码方式是最直接、最全面、最广泛使用、最商业化的方法，也是相对来说最容易为许多实验室使用的 【3】 。在该工作中，作者们描述了一种实现亚微米分辨率空间条形码的技术，并命名为Seq-Scope。

图1 Seq-Scope的工作流程

Seq-Scope的工作流程主要可以分为两轮的测序步骤：1^st-seq以及2^nd-seq （图1） 。第一轮测序会生成一个空间条形码RNA捕获的物理阵列和一个条形码的空间分布图，其中每个条形码序列与物理阵列的空间坐标相关联，使用的是Illumina测序平台MiSeq方法对单链合成寡核苷酸库进行固相扩增。第二轮的测序捕获在物理阵列组织释放mRNA，并对捕获的分子进行测序，测序其中主要包含cDNA以及空间条形码信息 （图1） ，Seq-Scope的第二次测序是将组织切片覆盖到HDMI阵列上。

通过一系列尝试与步骤优化，作者们得到了足以对空间转录组进行单细胞和亚细胞分析的HDMI阵列。该阵列生成保留了覆盖组织大体空间组成结构的cDNA足迹。将组织切片覆盖到HDMI阵列上并进行H&E的组织学检测，发现覆盖区域是一致的。因此，该结果说明Seq-Scope技术确实能够捕获和分析组织的空间转录组学信息。

进一步地，作者们希望对Seq-Scope技术的应用效果进行检测。作者们发现与先前的空间转录组学方式相比，Seq-Scope技术在分辨率以及像素密度方面均有显著地提高。mRNA在细胞核内转录并进行polyA的修饰，剪接后运输到细胞质。作者们发现利用Seq-Scope技术可以构建细胞核与细胞质中所有剪接和未剪接的转录本空间转录结构信息 （图2） ，该结果证明Seq-Scope技术完全可以应用于亚细胞水平的空间转录组学分析。

图2 Seq-Scope技术在区分组织切片的核-质空间转录组的高精度应用

采用图片分割的方式，单个肝脏细胞区域可以通过H&E的染色进行区分。作者们将Seq-Scope技术用于肝细胞的空间单细胞分析发现，Seq-Scope单细胞分析与先前scRNAseq的结果一致，可以用于揭示了每个单细胞的实际空间位置。以上数据证实了Seq-Scope技术能够揭示不同尺度下正常肝脏转录组的异质性和空间复杂性。但Seq-Scope技术是否也可以揭示病变肝脏中转录组失调的病理细节呢？为了揭开这一问题的答案，作者们将一种肝脏损伤的小鼠模型TD小鼠用于检测，TD小鼠模型表现出广泛的肝细胞氧化应激，会导致局部肝损伤、炎症和纤维化反应 【4】 。通过将Seq-Scope技术应用于TD小鼠模型之上，作者们发现该技术可以在显微结构以及转录组学水平对肝脏的组织病理学进行检测和表征。另外，通过在大肠组织等细胞组成方面的揭示，进一步证实了Seq-Scope技术在多种组织中应用的潜力。

图3 Seq-Scope技术的工作模型与应用

总的来说，作者们 建立了新型的空间转录组技术Seq-Scope，它为空间单细胞和亚细胞分析提供了一个通用的解决方案。Seq-Scope的单次运行即可获得整个转录组的显微基因表达成像数据。Seq-Scope产生的大量信息将加速科学发现，并将促进分子诊断的新范式的产生。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.010

制版人：十一

参考文献

1 Mazzarini, M., Falchi, M., Bani, D. & Migliaccio, A. R. Evolution and new frontiers of histology in bio-medical research. Microscopy research and technique 84, 217-237, doi:10.1002/jemt.23579 (2021).

2 Callea, F. et al. From immunohistochemistry to in situ hybridization. Liver 12, 290-295, doi:10.1111/j.1600-0676.1992.tb01063.x (1992).

3 Asp, M., Bergenstråhle, J. & Lundeberg, J. Spatially Resolved Transcriptomes-Next Generation Tools for Tissue Exploration. BioEssays : news and reviews in molecular, cellular and developmental biology 42, e1900221, doi:10.1002/bies.201900221 (2020).

4 Cho, C. S. et al. Concurrent activation of growth factor and nutrient arms of mTORC1 induces oxidative liver injury. Cell discovery 5, 60, doi:10.1038/s41421-019-0131-9 (2019).

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