转录组学

可视化未来:空间转录组学将改变基因表达研究方式

2021 年 1 月,Nature 将空间转录组学评为 2020 年 “年度技术”,业内很多人士都认为,空间转录组学是解读基因表达的下一个前沿技术。

波士顿儿童医院的助理教授 Jeffrey Moffitt 表示,“某种疾病的发生可能就是由于细胞行为的分子缺陷导致,我们的工作就是去解决这些缺陷。” 而空间转录组学用于深入地研究疾病,开发新的治疗方法,此前,生辉就针对空间转录组学做过相关报道(基因表达实现“3D”可视化,空间转录组学将是单细胞分析之后的又一波热潮)。

第三代转录组学分析工具

尽管人类有 30 亿个碱基对,但是这些碱基对所编码的大多数基因要么不表达,要么仅在特定条件下表达,所以了解转录组至关重要。这些信息能够让我们了解癌细胞和正常细胞表达的基因有何不同,也会让科学家对疾病有新的认识,创造新的治疗方法。

空间转录组学被视为第三代转录组学分析技术,其建立在两项基因表达研究技术之上:批量 RNA 测序和单细胞 RNA 测序。

最初,都是通过分析组织样品中总 mRNA 的表达量来分析组织样品,这也被称为 “批量 RNA 测序”,但是,这并未提供单细胞水平上的转录组表达水平。

单细胞测序技术的出现,使得研究人员能够在单个细胞的水平上,对基因组或转录组进行高通量测序分析。这对于癌症等疾病至关重要,因为肿瘤的单个细胞遗传特征各异,理解他们有助于研究人员理解肿瘤或其它疾病的完整遗传特征。

但是这种技术也未能提供空间信息,原因主要是:首先,DNA 在转录过程中会向周围细胞发送信号,随着这一过程的重复,每个细胞的信号在组织中会产生一条信息链;其次,脑部、肝脏、肾脏等器官不同源,这些组织中各个细胞的转录水平有差异,这些差异造成了维持器官工作所需的细胞功能的差异;最后,在某些疾病中,RNA 的表达位置与健康细胞中的位置不同。

图 | 10X 平台 Visium 可直观地绘制组织样本中的基因表达图(10X )

空间转录组学技术的出现则解决了上述两种测序技术的弊端,通过将成像和单细胞 RNA 测序相结合,研究人员可以绘制出特定转录本在组织中表达的位置。

“空间转录组学可以提供高分辨率,加深我们对细胞在组织内相互作用的理解,” Illumina 的科学创始人 David Walt 表示 ,“之前的方法能够为我们提供组织异质性的图片,但要实现细胞和亚细胞水平分辨率,不仅需要更好地了解生物学,还需要深入了解疾病。”

领先的空间转录组学平台

在空间转录组学领域,10X 是规模最大的。该公司通过两次重大收购进入了这一领域,分别是 2018 年收购的瑞典公司 Spatial Transcriptomics 和 2020 年收购的 ReadCoor。在此基础上,10X 建立了自己的平台 Visium。

通过 Visium 平台,用户可以对组织切片进行染色和成像,然后,使用探针捕获 RNA,进行测序,用户可以基于荧光原位测序技术 FISSEQ 在细胞水平上分析转录本。

Nanostring 是一家新兴的生命科学公司,拥有一个空间分子成像平台,可以分析组织样本中单个细胞的 RNA 和蛋白质。该平台基于该公司的 Hyb&Seq 化学技术,应用于肿瘤学、免疫学、神经科学和发育生物学。

Vizgen 是该领域的一颗新星。该公司使用分子条形码技术,可以在单细胞水平上定量 RNA 水平。这是基于 Moffitt 共同发明的 MERFISH 技术:一种多重 RNA 成像技术,可以检测成千上万个分子。

图 |Gary Nolan(左上)、Terry Lo(右上)、Sean Kendall(左下)、Keith Crandell(右下)

ARCH Venture Partners 负责人 Sean Kendall 表示:“单纯使用单细胞测序技术,仅能够让科研人员了解系统的复杂性,但看不到系统是如何组合在一起的。如果要研究单个细胞或者其在整个转录过程中的表达情况,Vizgen 的技术可以快速进行大量实验,了解之前无从得知的生物系统。”

Vizgen 的首席执行官 Terry Lo 则强调了 Vizgen 技术中的创新,“以前的平台一直缺乏两点。第一,分辨率下降;第二,灵敏度和检测效率。” Lo 说,“如果仅能检测到一小部分转录物,那么对于细胞生物学正在发生的事情无法得知。”

空间转录组学将应用于多个领域

目前,空间转录组学也正在进军合成生物学领域,该技术可以为农业、生物燃料等其它工程学问题提供新的思路。

斯坦福大学医学院病理学系教授、单细胞分析的先驱 Garry Nolan 认为空间转录组学可以让我们从根本上理解生物学。“当我们用合成生物学的方式去生成某物质后,这一过程能够让我们更好地理解系统规则,空间转录组学能够为我们提供数据以了解基础的生物学,只有理解基础的规则后,才能成为一名合格的合成生物学家。

Kendall 赞同 Nolan 的观点,并增加了空间组学在设计新的生物系统方面的重要性。Kendall 说:“如果有一天要动脑,就需要了解空间环境。就像合成生物学家可能在细胞水平上建立遗传电路一样,这些工具可以帮助在组织水平上建立细胞网络。”

对于 Nolan 来说,空间转录组学为疾病新疗法的发现提供了全新的工具。“我们需要了解为什么某些细胞(例如免疫细胞)在各种疾病状态下会聚在一起?我们的目标就是开发阻止这些细胞聚集的药物。”

Walt 则认为,空间转录组学的未来是多组学。该技术结合了成像、转录组学、蛋白质组学以及其他类型的分析。多组学可以将基因表达、蛋白质表达、染色质状态、表观基因组学和代谢组学数据等联系起来,而不是只关注基因表达,从而可以创建高度复杂的图像。

ARCH 的常务董事兼联合创始人 Keith Crandell 表示,“到目前为止,我们并没有真正看到蛋白质组和转录组之间的关联,但我认为它即将到来,我们将更好地了解每种蛋白质对应的特定疾病。”

图 | 使用 MERFISH 技术可视化基因表达(synbiobeta)

但是,与任何新兴技术一样,成本是限制其发展的重要因素。对于 Crandell 而言,看好空间转录组学技术的关键因素就是成本,“我认为关键指标是每个单元的成本。”

只要空间转录组学可以消除成本这一障碍,它将在神经系统疾病领域大展拳脚,比如阿尔茨海默症和帕金森病等。

Moffitt 表示,“我们对大脑的空间结构有一定的了解,但我们现在还无法知道不同的细胞是如何形成空间组织的,我们需要了解细胞在不同生物学状态下的变化,而空间转录组学能够提供这些信息,我认为这会使我们更加深入了解神经性疾病,从而找到治疗方法。”

除了神经性疾病之外,空间转录组学的应用还拓展到了免疫学、肠道微生物学以及肿瘤学等领域。

参考资料:

Visualizing the Future: Spatialomics Transforms Study of Gene Expression

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