?? 背 景 介 紹??

新一代測序技術的革新使得我們對生物體的組學信息有了更深的了解，隨著轉錄組技術的日漸普及，尤其是單細胞轉錄組技術的突飛猛進，使得我們對組織內細胞異質性的認識有了很大提升，另外，單細胞轉錄組在鑒定新型細胞亞群層面更是具有獨特的優勢。但是，無論是傳統常規轉錄組測序，還是單細胞轉錄組測序，都是以犧牲空間信息為代價的。

空間位置信息對組織內細胞命運選擇、胚胎發育以及腫瘤的發生發展等方面具有不可忽略的作用。因此，空間轉錄組技術應運而生。當前，空間轉錄組技術無論在技術開發，還是大規模的應用和商業化，都得到了蓬勃發展，更是被Nature Methods評為年度方法，這也預示著該技術有可能引領下一個研究熱潮。

另外，繪制轉錄本的亞細胞位置對于理解不同的生物學過程也很重要，但是，在細胞中對轉錄本的成像以及更細節的細胞形態的分析則需要依賴納米級別的精分辨率，想要達到如此高的分辨率并非易事。即使是能夠進行高分辨率RNA分子成像的seqFISH+（Sequential fluorescence in situ hybridization）技術也不能解決達到納米級精度這一難題。

為此，來自MIT、哈佛醫學院等單位的科學家合作開發了一種被稱之為擴展測序（expansion sequencing, ExSeq）的技術方法，并以“Expansion sequencing: Spatially precise in situ?transcriptomics in intact biological systems”為題發表在Science上。該技術提供了一個獨特的方法，可以了解哪些基因在細胞的哪些部位表達，并可以讓研究者們更多地了解基因表達如何受到細胞位置或其與附近細胞相互作用的影響。

文章發表在Science

? 主 要 內 容??

擴展測序是將組織擴展和原位RNA測序結合起來的一種新型技術。組織擴展技術是通過將吸水聚合物嵌入組織樣本中，在保持其整體結構完整性的同時使組織樣本膨脹。借助這種方法，組織可以膨脹100倍之多，這使得研究人員可以使用普通的光學顯微鏡就可以獲得非常高分辨率的圖像信息。原位RNA測序技術則可以對實驗室培養皿里生長的細胞中對數千個mRNA分子進行定位和測序。

具體來講，擴展測序技術的主要步驟如下：（I）樣本固定，將RNA方法分子與Anchor結合；（II）將樣品嵌入可膨脹的凝膠材料中；（III）將RNA分子錨定在凝膠材料之中；（IV）使用RISSEQ技術對RNA分子進行逆轉錄和擴增；（V）原位測序。同時，在原位測序結束后，這些納米孔中的cDNA被回收送去二代測序，測序結果會與原位測序的結果關聯結合起來。這種技術可以使得全長轉錄組信息及其空間位置都能夠得到解讀，同時，較長的測序讀長還可以實現剪切體的檢測，并且這種非靶向的測序還會無偏頗的捕捉轉錄組信息，意味著研究人員不是在尋找特定的RNA序列，而是可以發現成千上萬種不同序列。

圖1. 擴展測序基本原理和測序流程，圖片來源：Science

為了驗證擴展測序的有效性，研究者們分別建立了非靶向和靶向的兩種技術方法。其中，通過使用非靶向擴展測序技術，他們對小鼠海馬區神經元樹突中存在的轉錄本進行了解讀，包括其中滯留的內含子、轉錄因子以及長非編碼RNAs。結果表明，樹突中存在含有內含子的mRNA，同時也存在編碼轉錄因子的mRNA分子，這一發現表明了樹突可能存在溝通細胞核的新形式。

圖2. 小鼠海馬區神經元樹突非靶向擴展測序，圖片來源：Science

除此之外，研究人員還借助靶向擴展測序技術，對小鼠視覺皮層中層與層之間特異性的細胞類型進行解析，并對海馬椎體神經元間隔中的RNA進行分析。研究人員發現，棘突中的mRNA分布與相鄰的樹突是不同的。另外，他們還發現不同類型海馬區神經元中RNA樹突狀結構之間的分布具有相似的模式。

圖3. 小鼠視覺皮層靶向擴展測序，圖片來源：Science

最后，他們還對人類轉移性乳腺癌活檢樣品進行擴展測序，借助該技術繪制了存在不同細胞類型表達不同基因的圖譜，這一圖譜可以作為識別不同類型細胞以及不同細胞之間互作的重要參考信息。同時，分析結果也顯示，這些細胞類型會因為它們在腫瘤內位置的不同而作出不同的表現。比如，某些炎癥基因更高水平地表達在靠近腫瘤細胞的B細胞。

圖4. 乳腺癌活檢樣品擴展測序圖片，來源：Science

總的來說，擴展測序可以在完整的細胞和組織中實現從納米尺度到系統尺度的轉錄本多通道分析，其在胚胎發育、神經生物學等研究方面具有獨特的優勢。同時，這一技術也為癌癥中細胞相互作用的研究提供了重要工具，為未來研發更加有效的治療方法提供了理論基礎。

圖5. 研究總結，圖片來源：Science

文章共同通訊作者、麻省理工學院神經技術學教授Ed Boyden說：“基因表達是所有生物學中最基本的過程之一，它在所有健康和疾病相關的生物過程中發揮作用。然而，你需要知道的不僅僅是基因是否開啟或關閉，你想知道基因產物的位置。你關心的是它們屬于哪種細胞類型，它們在哪個細胞中起作用，甚至它們在細胞的哪個部分起作用?！?/p>

參考文獻

1.?https://science.sciencemag.org/content/371/6528/eaax2656

2. N. Crosetto, M. Bienko, A. van Oudenaarden, Spatially resolved?transcriptomics and?beyond. Nat. Rev. Genet. 16, 57–66?(2015). doi: 10.1038/nrg3832; pmid: 25446315

3. A. E. Moor et al., Global mRNA polarization regulates translation efficiency in the intestinal epithelium. Science 357, 1299–1303 (2017). doi: 10.1126/science.aan2399; pmid: 28798045。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Science亮点！ExSeq：完整生物组织的原位空间转录组分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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