Science：利用sci-Space技术在单细胞水平上揭示细胞基因转录的空间分布模式

2021年7月6日讯/生物谷BIOON/---一项名为sci-Space的新技术与来自其他技术的数据相结合，可能会在哺乳动物胚胎发育过程中，通过不同细胞的基因表达绘制出四维图谱。这类图谱将描绘出单个细胞中的基因转录本如何反映出时间的流逝、细胞谱系、细胞迁移以及发育中的胚胎位置。它们还将有助于阐明基因表达的空间调节。

哺乳动物胚胎发育是一种了不起的现象：一个受精卵反复分裂，在几周或几个月内变成一个复杂的有机体，该有机体能够进行无数的生理过程，由各种细胞、组织、器官、解剖结构组成。

更好地了解哺乳动物在出生前是如何形成的---特别是胚胎发育过程中单细胞水平上的出生前基因表达空间模式---可能推动对各种疾病进行生物医学和兽医研究。这些疾病包括从遗传性疾病到先天性畸形和发育迟缓。了解器官的起源也可能有助于未来的再生医学工作。

由美国华盛顿大学医学院、霍华德-休斯医学研究所和布罗特曼-巴蒂精密医学研究所的研究人员领导的一个国际团队在小鼠胚胎中展示了他们的sci-Space技术的概念验证。相关研究结果发表在2021年7月2日的Science期刊上，论文标题为“Embryo-scale, single-cell spatial transcriptomics”。论文通讯作者为华盛顿大学医学院基因组科学教授Jay Shendure、华盛顿大学生物工程系助理教授Kelly R. Stevens、华盛顿大学医学院基因组科学副教授Cole Trapnell。论文第一作者为是华盛顿大学医学院基因组科学系的Sanjay R. Srivatsan和华盛顿大学生物工程系的Mary C. Regier。

这些作者观察了12万个细胞核中基因的协调情况。身体的所有体细胞都包含相同的DNA编码。他们在小鼠胚胎成形时捕捉到了这些细胞核中哪些基因开启或关闭的信息。他们还研究了细胞在胚胎中的位置如何影响发育过程中哪些基因被激活。

这项技术建立在以前的工作基础上，这些作者和其他的研究团队开发了在胚胎发育过程中对成千上万个单细胞的基因表达和DNA编码可访问性进行整个有机体分析的方法。他们这样做是为了跟踪各种细胞类型的出现和轨迹。

细胞在空间上是如何组装的---它们在胚胎形成时采取什么样的物理位置---对正常发育至关重要。错位、扰乱，或者细胞没有在正确的时间出现在正确的位置，都可能导致严重的问题，甚至是产前死亡。

然而，获得有关基因表达空间模式的知识在技术上是困难的。在胚胎的大范围内对单个细胞的基因转录进行检测是不容易的。这限制了对空间结构如何影响基因表达的科学理解，因此也限制了对为什么哪些细胞类型在哪里形成，或相邻的细胞组如何影响彼此的未来角色的科学理解。

这些作者早先开发了一种标记细胞核的方法，他们称之为sci-plex技术。然后他们利用一种称为sci-RNA测序的方法，继续对单细胞RNA测序进行索引。如今，通过sci-Space，他们通过分析空间坐标和细胞基因转录本，鉴定出数以千计的基因，这些基因的表达是按照解剖学模式进行的。例如，某些基因图谱出现在大脑和脊髓的神经元中，还有一些出现在心脏的心肌细胞中。他们还使用空间和基因图谱信息来注释细胞的亚型。例如，虽然血管细胞和心肌细胞可能都表达某种特定生长因子的基因，但只有心肌细胞产生某些生长因子受体。

这些作者还观察到，细胞类型在基因表达的空间模式上差异很大。例如，结缔组织祖细胞显示出相对较大比例的空间限制性基因表达。这一观察表明，这些细胞的亚型在整个身体内以位置依赖的方式行事。

描述了在发育中的小鼠胚胎内，单个细胞聚集在一起形成器官时，sci-Spac技术如何捕捉它们的特性和位置。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abb9536。

为了衡量空间位置对一种细胞类型的基因转录谱的影响，这些作者还计算了细胞之间的物理距离和它们基因表达谱的角度距离。他们指出对于许多细胞类型来说，随着细胞之间物理距离的增加，它们的转录组之间的角度距离也会增加。然而，他们补充说，这种趋势变化很大。它在某些大脑和脊髓细胞中表现得最为明显。其他一些细胞类型的基因转录谱受到它们在发育中的胚胎中的位置的高度影响。其中包括某些软骨细胞，它们成为头部和面部骨骼支架的一部分。

这些作者还研究了小鼠胚胎发育过程中作为脑细胞分化和迁移的一部分而发生的基因表达动态变化。他们检查了各种脑细胞的轨迹是如何在解剖学上分布的。他们通过使用艾伦脑科学研究所的解剖参考脑图谱（Anatomical Reference Brain Atlas）作为指导来做到这一点。

这些作者指出，处于每条轨迹的细胞绝大多数都占据了不同的大脑区域。他们还观察到大脑不同区域的发育成熟度存在梯度。这些梯度揭示了已知的和新的迁移模式。

在未来，这些作者希望sci-Space能进一步应用于整个小鼠胚胎的连续切片，覆盖多个时间点。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Sanjay R. Srivatsan et al. Embryo-scale, single-cell spatial transcriptomics. Science, 2021, doi:10.1126/science.abb9536.