2021 年 1 月，Nature 將空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)評(píng)為 2020 年 “年度技術(shù)”，業(yè)內(nèi)很多人士都認(rèn)為，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)是解讀基因表達(dá)的下一個(gè)前沿技術(shù)。

波士頓兒童醫(yī)院的助理教授 Jeffrey Moffitt 表示，“某種疾病的發(fā)生可能就是由于細(xì)胞行為的分子缺陷導(dǎo)致，我們的工作就是去解決這些缺陷?！?而空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)用于深入地研究疾病，開(kāi)發(fā)新的治療方法，此前，生輝就針對(duì)空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)做過(guò)相關(guān)報(bào)道（基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)“3D”可視化，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)將是單細(xì)胞分析之后的又一波熱潮）。

第三代轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析工具

盡管人類有 30 億個(gè)堿基對(duì)，但是這些堿基對(duì)所編碼的大多數(shù)基因要么不表達(dá)，要么僅在特定條件下表達(dá)，所以了解轉(zhuǎn)錄組至關(guān)重要。這些信息能夠讓我們了解癌細(xì)胞和正常細(xì)胞表達(dá)的基因有何不同，也會(huì)讓科學(xué)家對(duì)疾病有新的認(rèn)識(shí)，創(chuàng)造新的治療方法。

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)被視為第三代轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析技術(shù)，其建立在兩項(xiàng)基因表達(dá)研究技術(shù)之上：批量 RNA 測(cè)序和單細(xì)胞 RNA 測(cè)序。

最初，都是通過(guò)分析組織樣品中總 mRNA 的表達(dá)量來(lái)分析組織樣品，這也被稱為 “批量 RNA 測(cè)序”，但是，這并未提供單細(xì)胞水平上的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)水平。

單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)，使得研究人員能夠在單個(gè)細(xì)胞的水平上，對(duì)基因組或轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行高通量測(cè)序分析。這對(duì)于癌癥等疾病至關(guān)重要，因?yàn)槟[瘤的單個(gè)細(xì)胞遺傳特征各異，理解他們有助于研究人員理解腫瘤或其它疾病的完整遺傳特征。

但是這種技術(shù)也未能提供空間信息，原因主要是：首先，DNA 在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中會(huì)向周圍細(xì)胞發(fā)送信號(hào)，隨著這一過(guò)程的重復(fù)，每個(gè)細(xì)胞的信號(hào)在組織中會(huì)產(chǎn)生一條信息鏈；其次，腦部、肝臟、腎臟等器官不同源，這些組織中各個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄水平有差異，這些差異造成了維持器官工作所需的細(xì)胞功能的差異；最后，在某些疾病中，RNA 的表達(dá)位置與健康細(xì)胞中的位置不同。

圖 | 10X Genomics 平臺(tái) Visium 可直觀地繪制組織樣本中的基因表達(dá)圖（來(lái)源：10X Genomics）

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)則解決了上述兩種測(cè)序技術(shù)的弊端，通過(guò)將成像和單細(xì)胞 RNA 測(cè)序相結(jié)合，研究人員可以繪制出特定轉(zhuǎn)錄本在組織中表達(dá)的位置。

“空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以提供高分辨率，加深我們對(duì)細(xì)胞在組織內(nèi)相互作用的理解，” Illumina 的科學(xué)創(chuàng)始人 David Walt 表示 ，“之前的方法能夠?yàn)槲覀兲峁┙M織異質(zhì)性的圖片，但要實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和亞細(xì)胞水平分辨率，不僅需要更好地了解生物學(xué)，還需要深入了解疾病?！?/span>

領(lǐng)先的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)平臺(tái)

在空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)領(lǐng)域，10X Genomics 是規(guī)模最大的。該公司通過(guò)兩次重大收購(gòu)進(jìn)入了這一領(lǐng)域，分別是 2018 年收購(gòu)的瑞典公司 Spatial Transcriptomics 和 2020 年收購(gòu)的 ReadCoor。在此基礎(chǔ)上，10X Genomics 建立了自己的平臺(tái) Visium。

通過(guò) Visium 平臺(tái)，用戶可以對(duì)組織切片進(jìn)行染色和成像，然后，使用探針捕獲 RNA，進(jìn)行測(cè)序，用戶可以基于熒光原位測(cè)序技術(shù) FISSEQ 在細(xì)胞水平上分析轉(zhuǎn)錄本。

Nanostring 是一家新興的生命科學(xué)公司，擁有一個(gè)空間分子成像平臺(tái)，可以分析組織樣本中單個(gè)細(xì)胞的 RNA 和蛋白質(zhì)。該平臺(tái)基于該公司的 Hyb＆Seq 化學(xué)技術(shù)，應(yīng)用于腫瘤學(xué)、免疫學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和發(fā)育生物學(xué)。

Vizgen 是該領(lǐng)域的一顆新星。該公司使用分子條形碼技術(shù)，可以在單細(xì)胞水平上定量 RNA 水平。這是基于 Moffitt 共同發(fā)明的 MERFISH 技術(shù)：一種多重 RNA 成像技術(shù)，可以檢測(cè)成千上萬(wàn)個(gè)分子。

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

ARCH Venture Partners 負(fù)責(zé)人 Sean Kendall 表示：“單純使用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，僅能夠讓科研人員了解系統(tǒng)的復(fù)雜性，但看不到系統(tǒng)是如何組合在一起的。如果要研究單個(gè)細(xì)胞或者其在整個(gè)轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的表達(dá)情況，Vizgen 的技術(shù)可以快速進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，了解之前無(wú)從得知的生物系統(tǒng)?！?/span>

Vizgen 的首席執(zhí)行官 Terry Lo 則強(qiáng)調(diào)了 Vizgen 技術(shù)中的創(chuàng)新，“以前的平臺(tái)一直缺乏兩點(diǎn)。第一，分辨率下降；第二，靈敏度和檢測(cè)效率?！?Lo 說(shuō)，“如果僅能檢測(cè)到一小部分轉(zhuǎn)錄物，那么對(duì)于細(xì)胞生物學(xué)正在發(fā)生的事情無(wú)法全部得知?！?/span>

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)將應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域

目前，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)也正在進(jìn)軍合成生物學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)可以為農(nóng)業(yè)、生物燃料等其它工程學(xué)問(wèn)題提供新的思路。

斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)系教授、單細(xì)胞分析的先驅(qū) Garry Nolan 認(rèn)為空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以讓我們從根本上理解生物學(xué)?！爱?dāng)我們用合成生物學(xué)的方式去生成某物質(zhì)后，這一過(guò)程能夠讓我們更好地理解系統(tǒng)規(guī)則，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)能夠?yàn)槲覀兲峁?shù)據(jù)以了解基礎(chǔ)的生物學(xué)，只有理解基礎(chǔ)的規(guī)則后，才能成為一名合格的合成生物學(xué)家。

Kendall 贊同 Nolan 的觀點(diǎn)，并增加了空間組學(xué)在設(shè)計(jì)新的生物系統(tǒng)方面的重要性。Kendall 說(shuō)：“如果有一天要?jiǎng)幽X，就需要了解空間環(huán)境。就像合成生物學(xué)家可能在細(xì)胞水平上建立遺傳電路一樣，這些工具可以幫助在組織水平上建立細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)?！?/span>

對(duì)于 Nolan 來(lái)說(shuō)，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)為疾病新療法的發(fā)現(xiàn)提供了全新的工具。“我們需要了解為什么某些細(xì)胞（例如免疫細(xì)胞）在各種疾病狀態(tài)下會(huì)聚在一起？我們的目標(biāo)就是開(kāi)發(fā)阻止這些細(xì)胞聚集的藥物?！?/span>

Walt 則認(rèn)為，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的未來(lái)是多組學(xué)。該技術(shù)結(jié)合了成像、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)以及其他類型的分析。多組學(xué)可以將基因表達(dá)、蛋白質(zhì)表達(dá)、染色質(zhì)狀態(tài)、表觀基因組學(xué)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)等聯(lián)系起來(lái)，而不是只關(guān)注基因表達(dá)，從而可以創(chuàng)建高度復(fù)雜的圖像。

ARCH 的常務(wù)董事兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Keith Crandell 表示，“到目前為止，我們并沒(méi)有真正看到蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組之間的關(guān)聯(lián)，但我認(rèn)為它即將到來(lái)，我們將更好地了解每種蛋白質(zhì)對(duì)應(yīng)的特定疾病?！?/span>

圖 | 使用 MERFISH 技術(shù)可視化基因表達(dá)（來(lái)源：synbiobeta）

但是，與任何新興技術(shù)一樣，成本是限制其發(fā)展的重要因素。對(duì)于 Crandell 而言，看好空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵因素就是成本，“我認(rèn)為關(guān)鍵指標(biāo)是每個(gè)單元的成本。”

只要空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以消除成本這一障礙，它將在神經(jīng)系統(tǒng)疾病領(lǐng)域大展拳腳，比如阿爾茨海默癥和帕金森病等。

Moffitt 表示，“我們對(duì)大腦的空間結(jié)構(gòu)有一定的了解，但我們現(xiàn)在還無(wú)法知道不同的細(xì)胞是如何形成空間組織的，我們需要了解細(xì)胞在不同生物學(xué)狀態(tài)下的變化，而空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)能夠提供這些信息，我認(rèn)為這會(huì)使我們更加深入了解神經(jīng)性疾病，從而找到治療方法。”

除了神經(jīng)性疾病之外，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的應(yīng)用還拓展到了免疫學(xué)、腸道微生物學(xué)以及腫瘤學(xué)等領(lǐng)域。

參考資料：

https:///visualizing-the-future-spacialomics-transforms-study-of-gene-expression/