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空間轉錄組學新突破：擺好聚光燈，讓RNA自己說話！

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導語：2019年 ， 題為“Spatialtranscriptomicscomingofage”的文章發表于NaturereviewsGenetics ， 正式拉開了空間轉錄組學測序的時代序幕 。 2021年1月 ， NatureMethods又將空間轉錄組學測序評為2020年度技術 。 近日 ， 哈佛大學Wyss仿生工程研究所的團隊又開發出一項名為“Light-Seq”的技術 ， 能夠克服過去空間轉錄組學方法的諸多限制 。
在多細胞生物中 ， 不同類型的細胞在組織內會以特殊的模式組織起來 。 在顯微鏡下觀察 ， 這些形形色色的細胞可能因為占據了獨特的位置、表現為不尋常的形狀或表達特定的生物標志物分子而千姿百態 。 當然 ， 這些細胞之間還存在著更深層意義的差別 ， 即基因表達的差別 。 研究人員通過轉錄組測序 ， 即對細胞內存在的多種RNA分子進行測序 ， 來更深入地了解細胞的類型和基因表達模式 。
基因表達具有時間特異性和空間特異性 ， 即不同的組織或細胞在特定發育階段或功能狀態下 ， 基因表達會存在變化 ， 比如胚胎發育過程中生物分子水平存在飛快的動態變化 ， 同時細胞之間的空間關系導致了子細胞之間對稱性的破壞、決定了細胞未來的命運 。 通過在不同時間點使用單細胞轉錄組測序技術進行采樣 ， 能夠了解某一細胞或組織基因表達的時間特異性 。 而空間特異性信息則相對較難獲得 ， 原因是常規轉錄組測序和單細胞轉錄組測序在還原細胞所處的原始位置信息上存在困難 ， 而傳統的原位雜交技術（InSituHybridization ， ISH）又很難實現高通量檢測 ， 一次最多只能分析少數幾個基因 。 為此 ， 空間轉錄組學技術應運而生 。
2021年8月11日 ， 美國的研究團隊在Nature發表回顧常見空間轉錄組學技術的綜述文章“Exploringtissuearchitectureusingspatialtranscriptomics”[1] ， 將空間轉錄組學技術分為兩大類：（1）基于新一代測序（Next-GenerationSequencing ， NGS）的方法 ， 即在NGS前將位置信息編碼到轉錄本上；（2）基于成像的方法 ， 該方法又分為基于原位測序（InSituSequencing ， ISS）的方法——直接在組織中對轉錄本進行擴增和測序 ， 以及基于ISH的方法——成像探針在組織中被依次雜交（圖1） 。 這些方法雖然不同 ， 但最終都可以看作是構建了一個基因表達矩陣 ， 該矩陣對每個點（一個像素、一個細胞或一組細胞）的轉錄組進行捕獲 。
空間轉錄組學新突破：擺好聚光燈，讓RNA自己說話！
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圖1空間轉錄組學技術構建基因表達矩陣（圖源：[1]）
不過 ， 現有的空間轉錄組學技術依然存在一些限制 ， 比如：僅能捕獲細胞總RNA分子的一小部分；達不到單細胞測序方法所能提供的分析深度和質量；破壞了原始細胞組織的環境使得對樣本進行后續分析變得不可能；以及需要專門的儀器或試劑導致成本高昂 。 這些缺陷阻礙了對不連續的細胞群或罕見且難以分離的細胞（比如某些特殊的腦細胞 ， 或侵入腫瘤的免疫細胞）的研究 。
為此 ， 哈佛大學Wyss仿生工程研究所的團隊開發了一項名為“Light-Seq”的DNA納米驅動技術 。 研究成果以“Light-Seq:light-directedinsitubarcodingofbiomoleculesinfixedcellsandtissuesforspatiallyindexedsequencing”為題于2022年10月10日發表于NatureMethods（圖2）[2] 。
空間轉錄組學新突破：擺好聚光燈，讓RNA自己說話！
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圖2研究成果（圖源：[2]）
該技術允許研究人員通過光交聯過程選擇特定的目標細胞 ， 然后利用DNA標簽（barcode）對目標細胞全部的RNA序列進行“地理標記” ， 隨后在DNA驅動技術的幫助下 ， 翻譯成DNA單鏈以進行NGS測序 。 對于同一樣本中的不同細胞群體 ， 可以使用不同的DNA標簽重復Light-Seq過程 ， 以便后續分析（圖3） 。