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空间转录组测序技术：全新的转录组学探索角度
发布日期：2019-10-08浏览：
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细胞和它们在组织样本中的相对位置之间的关系对于理解疾病病理学是至关重要的。单细胞转录组测序技术虽然解决了细胞异质性的问题，使我们可以找到疾病中起关键作用的细胞，但无法还原到具体的空间位置，导致对细胞功能的探究还不是特别准确。
近年来空间转录组的研究逐渐受到广大研究学者的青睐，其不仅可以提供研究对象的转录组等数据信息，同时还能定位其在组织中的空间位置，这对于癌症发病机制、神经科学、发育生物学等众多领域的研究都有重要意义。
那么我们首先来了解一下什么是空间转录组？
空间转录组学是指从一个完整的组织样本中产生全部的转录组数据，从而能够定位和区分功能基因在特定组织区域内的活跃表达，为研究和诊断提供宝贵见解。
作为一项突破性技术，它允许科学家们检测组织样本中的所有基因活动，并绘制活动发生的位置。该技术已经带来了新的发现，将有助于科学家更好地理解疾病和生物学过程。
10x Visium Spatial Gene Expression Solution
10x Genomics 公司收购了专做空间转录组的 Spatial Transcriptomics 公司。其现有产品使用了带有专利涂层的载玻片，每张载玻片可以容纳六个单独的组织切片，从而获得空间层面分辨率的 RNA 测序数据。为更好的进行空间转录组研究，10x Genomics 公司对该技术进行了升级，推出 Visium 空间基因表达解决方案。
该解决方案可在现有的实验室基础设施中开展，并已在人、小鼠及大鼠等多种组织中实现基因表达的空间解析可视化。通过 10x 官方提供的分析工具可将基因表达数据层加到 H&E 图像上，用 RNA 表达和形态学特征来表征组织，从而获得组织切片完整的生物学图谱。此外，还可将空间转录组与单细胞转录组整合分析，在识别不同细胞群的同时保留空间背景，提供组织微环境中细胞功能、表型和位置关系的关键信息。
技术原理
一、对新鲜冷冻组织切片，并进行成像。
二、将组织切片放置在含有与 RNA 结合捕获探针的载玻片上，并进行固定和透化，使细胞中的 mRNA 得到释放，并结合到相应的捕获探针上，从而获取基因表达信息。
三、以捕获的 RNA 为模板进行 cDNA 合成和测序文库制备。
四、对制备好的文库进行测序。
五、数据可视化分析，确定哪些基因得到表达，基因表达量，以及这些基因的空间位置信息。
简单操作流程见下图：
10x Visium 空间基因表达解决方案目前包括两款产品：组织优化试剂盒和空间基因表达试剂盒，分别用于组织优化和文库构建。
第一次做的样本建议先做组织优化之后，再进行空间转录组的文库构建，以达到更好的检测效果。试剂盒中最关键的是载玻片，是实现空间转录组研究的主要工具。每张载玻片有四个捕获区域，每个区域包含 5000 个数据点，每个数据点包含上亿个可以结合组织 RNA 的捕获探针，每个探针上带有 spatial barcodes，用来标记空间位置。根据组织类型的不同，每个数据点会覆盖 1-10 个细胞。
技术优势
- 即用型实验流程，无需额外仪器；
- 适用于大部分组织类型，已验证过的组织包括脑，肿瘤，肾，皮肤，心脏等；
- 工作流程简单，从组织切片到文库构建尽快完成；
- 高分辨率和灵敏度；
- 免费且操作简便的可视化软件，可绘制基因活动发生的空间位置。
技术亮点
- 在多样品类型的完整组织切片中获得高通量基因表达谱数据；
- 在同一组织切片上将全转录组分析与形态学背景相结合，可发现新的生物学标记；
- 无需消化组织即可进行基因表达研究；
- 通过生物学结构来探究正常和病变组织中细胞间相互作用机制；
- 可分析基因表达的不均一性及其对特定生物学过程的意义。
Demo结果展示
<小鼠肾脏空间转录组的 mRNA 表达及聚类>
下图中，A 代表组织切片的 HE 染色。B 和 C 分别代表 UMI 计数和总基因计数与组织空间位置的图像叠加。D 代表基于总体差异表达基因的空间聚类结果，最右边显示了 cluster2 排名前 10 的特异表达基因。E、F、G、H 分别代表了不同基因的空间 mRNA 表达。
<小鼠大脑空间分辨率的基因表达>
如下图，A 代表组织切片的 HE 染色。B 和 C 分别代表海马组织的标记基因 Tmsb4x 和 Selenow 基因的空间表达情况，结果显示这两个基因在海马体中显著高表达，符合已知的基因表达模式。
注：部分内容来源 10x 官方资料。
