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空間轉錄組測序技術:全新的轉錄組學探索角度
發布日期:2019-10-08瀏覽:

細胞和它們在組織樣本中的相對位置之間的關系對于理解疾病病理學是至關重要的。單細胞轉錄組測序技術雖然解決了細胞異質性的問題,使我們可以找到疾病中起關鍵作用的細胞,但無法還原到具體的空間位置,導致對細胞功能的探究還不是特別精確。

近年來空間轉錄組的研究逐漸受到廣大研究學者的青睞,其不僅可以提供研究對象的轉錄組等數據信息,同時還能定位其在組織中的空間位置,這對于癌癥發病機制、神經科學、發育生物學等眾多領域的研究都有重要意義。

那么我們首先來了解一下什么是空間轉錄組?

空間轉錄組學是指從一個完整的組織樣本中產生全部的轉錄組數據,從而能夠定位和區分功能基因在特定組織區域內的活躍表達,為研究和診斷提供寶貴見解。

作為一項突破性技術,它允許科學家們檢測組織樣本中的所有基因活動,并繪制活動發生的位置。該技術已經帶來了新的發現,將有助于科學家更好地理解疾病和生物學過程。

10x Visium Spatial Gene Expression Solution


10x Genomics 公司收購了專做空間轉錄組的 Spatial Transcriptomics 公司。其現有產品使用了帶有專利涂層的載玻片,每張載玻片可以容納六個單獨的組織切片,從而獲得空間層面分辨率的 RNA 測序數據。為更好的進行空間轉錄組研究,10x Genomics 公司對該技術進行了升級,推出 Visium 空間基因表達解決方案。

 

該解決方案可在現有的實驗室基礎設施中開展,并已在人、小鼠及大鼠等多種組織中實現基因表達的空間解析可視化。通過 10x 官方提供的分析工具可將基因表達數據層加到 H&E 圖像上,用 RNA 表達和形態學特征來表征組織,從而獲得組織切片完整的生物學圖譜。此外,還可將空間轉錄組與單細胞轉錄組整合分析,在識別不同細胞群的同時保留空間背景,提供組織微環境中細胞功能、表型和位置關系的關鍵信息。

技術原理
一、對新鮮冷凍組織切片,并進行成像
二、將組織切片放置在含有與 RNA 結合捕獲探針的載玻片上,并進行固定和透化,使細胞中的 mRNA 得到釋放,并結合到相應的捕獲探針上,從而獲取基因表達信息。
三、以捕獲的 RNA 為模板進行 cDNA 合成和測序文庫制備
四、對制備好的文庫進行測序
五、數據可視化分析,確定哪些基因得到表達,基因表達量,以及這些基因的空間位置信息。

簡單操作流程見下圖:
 
10x Visium 空間基因表達解決方案目前包括兩款產品:組織優化試劑盒和空間基因表達試劑盒,分別用于組織優化和文庫構建。

第一次做的樣本建議先做組織優化之后,再進行空間轉錄組的文庫構建,以達到最好的檢測效果。試劑盒中最關鍵的是載玻片,是實現空間轉錄組研究的主要工具。每張載玻片有四個捕獲區域,每個區域包含 5000 個數據點,每個數據點包含上億個可以結合組織 RNA 的捕獲探針,每個探針上帶有 spatial barcodes,用來標記空間位置。根據組織類型的不同,每個數據點會覆蓋 1-10 個細胞。

 

技術優勢


技術亮點


Demo結果展示
<小鼠腎臟空間轉錄組的 mRNA 表達及聚類>
下圖中,A 代表組織切片的 HE 染色。B 和 C 分別代表 UMI 計數和總基因計數與組織空間位置的圖像疊加。D 代表基于總體差異表達基因的空間聚類結果,最右邊顯示了 cluster2 排名前 10 的特異表達基因。E、F、G、H 分別代表了不同基因的空間 mRNA 表達。
 

<小鼠大腦空間分辨率的基因表達>
如下圖,A 代表組織切片的 HE 染色。B 和 C 分別代表海馬組織的標記基因 Tmsb4x 和 Selenow 基因的空間表達情況,結果顯示這兩個基因在海馬體中顯著高表達,符合已知的基因表達模式。


注:部分內容來源 10x 官方資料。

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