Nature：利用新开发的Slide-tags技术在单细胞分辨率上构建组织内细胞遗传活动的空间模式图谱

当科学家们想要在分子水平上研究心脏或大脑等器官内的单个细胞时，他们通常会将组织打碎来分析细胞。这提供了有关基因活性的丰富细节，但无法保留细胞在组织中的位置信息。

如今，在一项新的研究中，来自美国布罗德研究所的研究人员利用实验室中的标准单细胞工作流程捕捉单个细胞的基因和位置信息。他们开发的一种新方法可让人们将给单个细胞核贴上精确的位置标签，然后他们可以将其分离出来进行多种单细胞实验，同时仍然收集有关细胞在组织中的原始位置的信息。相关研究结果于2023年12月13日在线发表在Nature期刊上，论文“Slide-tags enables single-nucleus barcoding for multimodal spatial genomics”。

这种称为“Slide-tags”的新方法是由布罗德研究所核心研究所成员、哈佛大学干细胞与再生生物学助理教授Fei Chen实验室和布罗德研究所斯坦利精神病研究中心研究所成员Evan Macosko实验室开发的。Slide-tags建立在另一种称为Slide-seq的方法的基础上，Slide-seq由这两家实验室开发，可以绘制组织内遗传活动的空间模式图谱，但不像新的Slide-tags方法那样达到单细胞分辨率。

Chen说，“有了这种新方法，我们就找到了一种方式，让科学家们在进行他们已经在做的所有单细胞实验的同时，还能准确地知道细胞来自哪里。这是第一次有人能够将空间数据和单细胞数据完全融合在一起。”

这些作者在这项新的研究中介绍了 Slide-tags，并展示了他们如何利用自己的技术研究人脑、扁桃体和黑色素瘤等组织内的细胞。

Macosko说，“我们展示了如何利用空间数据发现新的生物学特性，而如果只是进行标准的单细胞实验，是永远不会发现这些特性的。”

论文共同第一作者、布罗德研究所博士后Andrew Russell说，“我们的实验不仅仅是观察特定细胞中表达的基因。Slide-tags与几乎所有单细胞测序方法都兼容，因此也为单细胞测量细胞的基因序列和表观遗传调控带来了高分辨率的空间信息。” 另外两名论文共同第一作者为Jackson Weir和Naeem Nadaf。

一次一个细胞

2019年报道的Slide-seq技术涉及将组织切片转移到特殊珠子阵列上，每个珠子都标记有DNA条形码，可识别其在阵列中的位置。每个珠子直径为 10 微米，与人体内许多细胞的大小差不多，因此大多数珠子只能与一个细胞的信使 RNA （mRNA）结合。不过，有些珠子能同时捕获多个细胞的 RNA。Chen说，“因此，这意味着我们无法通过Slide-seq获得真正的单细胞分辨率。”

为了克服这一难题，Chen团队和 Macosko团队想到了 Slide-tags，它使用类似的珠子阵列，但每个珠子上都标记了许多相同的DNA条形码，以指示珠子的位置。将组织切片贴到珠子阵列上后，DNA条形码就会渗入细胞核。一个给定的细胞核会吸收离该细胞最近的珠子上含量最高的FNA条形码，但也会吸收较远的珠子上较低含量的DNA条形码。然后，他们测量每个细胞核中不同条形码的不同水平，并计算出细胞在阵列中的位置。

Chen解释说，“就像一个人的GPS定位可以根据他们离多个不同卫星的距离进行三角测量一样，我们可以根据多个不同珠子的信号确定任何一个细胞核的位置。”

位置、位置、位置

一旦这些条形码进入细胞核，这些作者就可以像在标准单细胞实验中通常做的那样处理细胞核。Nadaf说，“最棒的是，一旦我们的细胞核被条形码编码，我们几乎不需要对通常进行单细胞实验的方式做任何调整。”

这些作者在死后人脑样本上测试了他们的技术，这类样本很难用于大多数空间实验，因为细胞在死后很快就会降解。然而，细胞核保持完好的时间要长得多，这使得 Slide-tags 能够有效发挥作用。Macosko团队给脑组织切片贴上标签，然后研究每个细胞内的RNA分子水平，以弄清细胞的身份。他们不仅重现了大脑皮层内已知的细胞模式，还发现了以前被认为均匀分布在大脑皮层周围的细胞簇。

在人类前额皮质的一个10毫米见方的区域中,脑细胞(每一个都用一个点表示)被分为七种细胞类型(每一种都有不同的颜色)。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06837-4。

Chen团队随后将Slide-tags应用于黑色素瘤，并对肿瘤内的癌细胞和免疫细胞进行了分析。他们发现，一种特定类型的免疫细胞经常聚集在肿瘤的一个具有独特遗传特性的区域。这一发现可以促进人们对免疫细胞和癌细胞之间相互作用的理解，有朝一日可能有助于开发新的免疫疗法。

Weir说，“肿瘤内的细胞间相互作用非常复杂。将Slide-tags大规模应用于患者样本将帮助我们弄清哪些特定的免疫细胞与哪些癌细胞发生了相互作用，以及为什么会发生相互作用。”

这些作者希望科学家们在自己感兴趣的组织和细胞上使用 Slide-tags。他们目前正在优化这项技术，使其适用于不同的组织类型，并开发将其应用于已经固定或保存的组织的方法。他们补充说，这项技术将帮助科学家们建立整个人体器官的大规模细胞类型图谱。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Andrew J. C. Russell et al. Slide-tags enables single-nucleus barcoding for multimodal spatial genomics. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06837-4.

New method tags cells with location coordinates for single-cell studies
https://www.broadinstitute.org/news/new-method-tags-cells-location-coordinates-single-cell-studies