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    連發Cell, Nature ! 空間轉錄組學技術高分文章集錦
    日期:2022年07月20日    來源:
    空間轉錄組學(Spatial Transcriptomics)是在二維平面上定位 mRNA-seq 數據的技術。常規的轉錄組測序可以揭示 mRNA 的表達信息,但無法獲得準確定位;常規的染色顯影技術以揭示特定組織區域的分子特征,但不包含準確、完整的 mRNA 表達譜信息。為了彌補這個技術缺憾,在一次實驗中同時獲取 RNA 的表達信息和 RNA 的空間位置,空間轉錄組學的方法便應運而生。2016年,空間轉錄組技術在?Science雜志上首度登場,在不久后的 2020 年就被?Nature Methods 雜志選為當年的年度方法(Methods of the Year),更在2022年短短五個月,相繼發表于Cell, Nature, Science等高分期刊。
    讓我們先來回顧一下2022年發表的空間轉錄組學技術相關高分文章:

    1、空間蛋白質基因組學揭示了獨特的和進化上保守的肝巨噬細胞生態位
    發表期刊:Cell
    影響因子:66.85
    發表時間:2022年1月11日
    樣本類型:肝(人),肝(小鼠)
    文章鏈接:Spatial proteogenomics reveals distinct and evolutionarily conserved hepatic macrophage niches
    肝臟是人體最大的實體器官,但它的特征仍不完全。本文利用空間轉錄組學技術,繪制了健康和肥胖的人類和小鼠肝臟的空間蛋白質基因組學圖譜。通過整合這些多組數據集,本文提供了可靠的策略來可靠地區分和定位所有肝細胞,包括膽管中的脂質相關巨噬細胞(LAMs)群體。然后,通過對7個物種的圖譜進行了比對,揭示了LAMs是由局部脂質暴露誘導的,導致它們在小鼠和人類肝臟的脂肪變性區域被誘導,而Kupffer細胞的發育關鍵依賴于它們通過進化上保守的ALK1-BMP9/10軸與肝星狀細胞的串擾。
    圖1. 健康小鼠肝臟的空間轉錄組學圖譜

    圖1. 健康小鼠肝臟的空間轉錄組學圖譜



    2、空間轉錄組學分析損傷后小鼠腸道的愈合情況
    發表期刊:Nature Communications
    影響因子:17.694
    發表時間:2022年2月11日
    樣本類型:結腸(小鼠)
    文章鏈接:The spatial transcriptomic landscape of the healing mouse intestine following damage
    腸道屏障由一個復雜的細胞網絡組成,定義了高度分隔和專門化的結構。本文使用空間轉錄組學來定義轉錄組學景觀是如何在穩定狀態和愈合的小鼠結腸中進行空間組織的。在穩定狀態條件下,作者證明了一個以前未被重視的結腸分子區域,它在黏膜愈合過程中發生了顯著的變化。此外,作者還發現p53激活的減少定義了隨著上皮干細胞增殖的增加而存在的區域。最后,作者繪制了與人類疾病相關的轉錄組學模塊,證明了該數據集的翻譯潛力??偟膩碚f,本文提供了一個公開的資源來定義結腸黏膜愈合過程中轉錄組區域。
    圖2. 空間轉錄組學揭示了小鼠結腸組織穩態下的分子區域
    圖2. 空間轉錄組學揭示了小鼠結腸組織穩態下的分子區域


    3、空間轉錄組揭示小鼠大腦中的克隆關系
    發表期刊:Nature Neuroscience
    影響因子:28.771
    發表時間:2022年2月24日
    樣本類型:大腦(小鼠)
    文章鏈接: Clonal relations in the mouse brain revealed by single-cell and spatial transcriptomics
    哺乳動物的大腦包含許多特殊的細胞,這些細胞由一片薄薄的神經上皮祖細胞發展而來。單細胞轉錄組學揭示了神經系統中數百種分子不同的細胞類型,但成熟細胞類型和祖細胞之間的譜系關系尚不清楚。本文利用空間轉錄組學技術,展示了早期祖細胞的體內條形碼,同時分析小鼠大腦中的細胞表型和克隆關系。作者將空間轉錄組學與克隆條形碼相結合,并在密集標記的組織切片中解開克隆相關細胞的遷移模式。該方法能夠在單個動物的單細胞和組織水平上實現細胞表型和克隆關系的高通量密集重建,并為理解組織結構提供了一種集成的方法。
    圖3. 空間轉錄組學原位分析轉錄組和克隆
    圖3. 空間轉錄組學原位分析轉錄組和克隆


    4、間CRISPR基因組學識別腫瘤微環境的調控因子
    發表期刊:Cell
    影響因子:66.85
    發表時間:2022年3月14日
    樣本類型:肺(小鼠),腫瘤
    文章鏈接: Spatial CRISPR genomics identifies regulators of the tumor microenvironment
    雖然CRISPR篩選有助于揭示調節許多細胞內在過程的基因,但現有的方法在識別細胞外基因功能方面是不理想的,特別是在組織環境中。本文開發了一種空間功能基因組學的方法,稱為Perturb-map。作者在肺癌小鼠模型中同時敲除數十個基因,并同時評估每個敲除如何影響腫瘤生長、組織病理學和免疫組成。此外,作者將Perturb-map和空間轉錄組學配對,以對CRISPR編輯的腫瘤進行無偏分析,發現在Tgfbr2敲除腫瘤中,腫瘤微環境(TME)轉化為纖維黏液狀態,T細胞被排除,伴隨TGFb和TGFb介導的成纖維細胞激活上調,表明癌細胞上TGFb受體的丟失增加了TGFb的生物利用度及其對TME的免疫抑制作用。這些研究建立了單細胞分辨率的組織內功能基因組學的空間結構,并為癌細胞的TGFb響應性提供了見解。
    圖4. 空間轉錄組學識別干擾特異性基因特征


    圖4. 空間轉錄組學識別干擾特異性基因特征




    5、人類遠端肺圖譜和譜系層次揭示了一個雙能祖細胞
    發表期刊:Nature
    影響因子:69.504
    發表時間:2022年3月30日
    樣本類型:肺(人)
    文章鏈接:  Human distal lung maps and lineage hierarchies reveal a bipotent progenitor
    繪制組成細胞的空間分布和分子特性對于理解健康和疾病中的組織動力學至關重要。本文利用空間轉錄組學技術,確定了分子上不同的TRB細胞類型。這些細胞包括氣道相關的LGR5+纖維細胞和TRB特異性肺泡0型(AT0)細胞和TRB分泌細胞(TRB-SCs)。利用非人類靈長類動物肺損傷模型,以及人類類器官和組織標本,作者發現再生肺中的肺泡2型細胞短暫獲得AT0狀態,從該狀態可以分化為肺泡1型細胞或TRB-SCs。該研究還揭示了驅動雙能AT0細胞狀態分化為正?;虿±頎顟B的機制??傊?,該研究修改了人類肺細胞圖譜和譜系軌跡,并揭示了靈長類肺再生和疾病的上皮過渡狀態。
    圖5. 空間轉錄組學揭示遠端氣道中不同的上皮細胞類型


    圖5. 空間轉錄組學揭示遠端氣道中不同的上皮細胞類型



    6、繪制從造血內皮到出生的人類造血干細胞圖譜
    發表期刊:Nature
    影響因子:69.504
    發表時間:2022年4月13日
    樣本類型:胚胎(人),干細胞(人)
    文章鏈接: Mapping human haematopoietic stem cells from haemogenic endothelium to birth
    人類造血干細胞(HSCs)的個體發育研究甚少,因為在不同的造血干細胞出現和成熟時無法識別它們。作者發現標記RUNX1+ HOXA9+ MLLT3+ MECOM+ HLF+ SPINK2+ 可在整個妊娠期區分造血干細胞和祖細胞。對不同成熟階段的造血干細胞進行比較,發現在造血干細胞出現后,造血干細胞轉錄因子機制的建立,而其表面表型在整個發育過程中不斷進化。星狀細胞向肝臟的轉變標志著一種分子轉移,通過抑制表面抗原重新識別新生的星狀細胞身份,獲得星狀細胞成熟標記CD133(由PROM1編碼)和HLA-DR。利用空間轉錄組學和免疫熒光,作者在位于腹側的主動脈內造血簇中觀察了這一過程。人星狀細胞個體發生的體內圖譜驗證了從人多能干細胞中產生主動脈-性腺-中腎樣去造血干細胞和祖細胞,并為促進其向功能性造血干細胞的成熟提供了指導。
    圖6. 造血干細胞來源于不同的動脈內皮細胞
    圖6. 造血干細胞來源于不同的動脈內皮細胞


    7、繪制跨器官人體免疫系統發育圖譜
    發表期刊:Science
    影響因子:63.714
    發表時間:2022年5月12日
    樣本類型:骨髓(人)、胎兒(人)、胸腺(人)、腸(人)、腎臟(人)、肝臟(人)、淋巴結(人)、脾臟(人)、皮膚(人)
    文章鏈接: Mapping the developing human immune system across organs
    單細胞基因組學研究已經解碼了幾個人類產前器官的免疫細胞組成,但在理解免疫系統作為一個跨組織的分布式網絡方面很有限。本文利用空間轉錄組學來重建9個產前組織,以重建發育中的人類免疫系統。這揭示了髓系和淋巴細胞亞群晚期獲得免疫效應功能,以及單核細胞和T細胞的成熟。此外,作者還發現了除初級造血器官以外的全系統血液和免疫細胞的發育,以及人類產前B1細胞的特征,并闡明了非常規T細胞的起源。本研究的圖譜提供了有價值的數據資源和生物學見解,這將促進細胞工程、再生醫學和疾病的理解。
    圖7. 全系統的血液和免疫細胞的發育
    圖7. 全系統的血液和免疫細胞的發育 


    小    結

    破譯基因活動協調多細胞生物中復雜的細胞安排的原理和機制,對生命科學的研究具有深遠的意義。測序技術和成像方法的進步,使得空間轉錄組學的力量可以用來系統性地衡量所有或大多數基因在組織空間的表達水平,并被用于研究神經科學,發育,以及調查一系列疾病包括癌癥的發生發展??臻g轉錄組學可以應用于多種樣本,驗證各種實驗環境下的假設,例如正常組織(ST圖譜)、發育或疾病的時間過程,以及干擾實驗(遺傳、藥物或感染)等。
    圖8. Exploring tissue architecture using spatial transcriptomics. Nature, 596(7871), 211–220.
    圖8. Exploring tissue architecture using spatial transcriptomics. Nature, 596(7871), 211–220.


    云序生物空間轉錄組介紹
    云序生物推出空間轉錄組學技術服務,助力您更好地了解生物學過程和疾病的空間定位。

    空間轉錄組技術亮點優勢:
    • 通過分析同一組織切片的組織學特征和 mRNA空間表達情況,可以發現新的組織生物標志物。
    • 通過轉錄組分析,可以揭示新發現的細胞流行、細胞狀態和生物標志物的空間排布。
    • 通過于預先設計的靶基因組合,可以驗證之前發現的結果,或關注所有與靶基因相關的基因。
    • 闡明生物學結構,并了解正常組織和病理組織中細胞之間的空間關系。
    • 分析并了解基因表達的空間異質性,等等。

    空間轉錄組測序技術原理:
    在云序生物提供的空間轉錄組技術服務當中,透化和雜交步驟發生于玻片上的平面捕獲區域,其中含有數千個圓點(spot)。在每個圓點中,玻璃基底上覆蓋了數以百萬計的寡核苷酸序列。這些附著在玻璃基底表面上的寡核苷酸序列末端存在 poly(dT)VN 結構,可以有效捕獲含有 poly(A) 尾巴的 mRNA。不同的圓點中的寡核苷酸序列則擁有不同的“條形碼”(Barcode)序列,以形成獨一無二的位置定位信息。根據這些空間條形碼序列,我們可以將 mRNA 測序結果回溯定位到特定的圓點坐標上,從而實現對 mRNA 表達譜信息的準確空間定位。
    技術原理


    空間轉錄組測序技術步驟:
    1.組織切片,獲得約 10 um 厚度的切片
    2.傳統方法染色成像,如 H&E 染色和免疫熒光染色
    3.組織透化(Permeabilization),以從細胞中釋放 mRNA
    4.雜交,以形成位置信息定位
    5.建庫和測序
    6.數據分析和可視化
    技術步驟.png


    空間轉錄組測序技術樣本要求:
    云序生物推薦使用新鮮冰凍組織樣品,需要滿足以下幾點要求:
    1.樣品份數
    對于同一來源的樣品,云序生物建議寄送3份,其中一份用于常規 RNA 提取質檢,一份用于實際的空間轉錄組實驗,一份留作備用。
    2.樣品量
    每份樣品約 6.5mm x 6.5mm x 6.5mm,相當于大約一顆綠豆大小。請勿提供過大或過小的樣品,因為樣品過大將造成制片困難,樣品過小將導致常規 RNA 質檢用量不足。
    3.樣品保存和運輸
    新鮮組織樣本取下后要迅速用預冷的PBS溶液或生理鹽水進行沖洗,去除組織表面殘留,然后用干凈的吸水紙吸干液體,放入用干冰預冷異戊烷(Isopentane)中速凍。切勿將組織直接放在液氮中速凍,以免造成嚴重形變。速凍后的組織,建議保存在密封的低溫冷凍管中,以減少揮發和脫水。低溫冷凍管可保存于-80°C冰箱,如需運輸請使用干冰包裹。
    4.樣品物種
    :腦、乳腺、乳腺癌、心臟、腎臟、大腸、肺、肺癌、淋巴結、卵巢、脾、脊髓

    小鼠:腦、眼睛、心臟、腎臟、大腸、肝、肺、嗅球、卵巢、四頭肌、小腸、脾、胃、睪丸、甲狀腺、舌
    大鼠:腦、心臟、腎臟、嗅球
    這些組織類型只代表目前內部測試優化的組織,其它組織也可能適用。



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