空间转录组学新突破：摆好聚光灯，让RNA自己说话！

导语：2019年，题为“Spatialtranscriptomicscomingofage”的文章发表于NaturereviewsGenetics ，正式拉开了空间转录组学测序的时代序幕。 2021年1月， NatureMethods又将空间转录组学测序评为2020年度技术。近日，哈佛大学Wyss仿生工程研究所的团队又开发出一项名为“Light-Seq”的技术，能够克服过去空间转录组学方法的诸多限制。
在多细胞生物中，不同类型的细胞在组织内会以特殊的模式组织起来。在显微镜下观察，这些形形色色的细胞可能因为占据了独特的位置、表现为不寻常的形状或表达特定的生物标志物分子而千姿百态。当然，这些细胞之间还存在着更深层意义的差别，即基因表达的差别。研究人员通过转录组测序，即对细胞内存在的多种RNA分子进行测序，来更深入地了解细胞的类型和基因表达模式。
基因表达具有时间特异性和空间特异性，即不同的组织或细胞在特定发育阶段或功能状态下，基因表达会存在变化，比如胚胎发育过程中生物分子水平存在飞快的动态变化，同时细胞之间的空间关系导致了子细胞之间对称性的破坏、决定了细胞未来的命运。通过在不同时间点使用单细胞转录组测序技术进行采样，能够了解某一细胞或组织基因表达的时间特异性。而空间特异性信息则相对较难获得，原因是常规转录组测序和单细胞转录组测序在还原细胞所处的原始位置信息上存在困难，而传统的原位杂交技术（InSituHybridization ， ISH）又很难实现高通量检测，一次最多只能分析少数几个基因。为此，空间转录组学技术应运而生。
2021年8月11日，美国的研究团队在Nature发表回顾常见空间转录组学技术的综述文章“Exploringtissuearchitectureusingspatialtranscriptomics”[1] ，将空间转录组学技术分为两大类：（1）基于新一代测序（Next-GenerationSequencing ， NGS）的方法，即在NGS前将位置信息编码到转录本上；（2）基于成像的方法，该方法又分为基于原位测序（InSituSequencing ， ISS）的方法——直接在组织中对转录本进行扩增和测序，以及基于ISH的方法——成像探针在组织中被依次杂交（图1）。这些方法虽然不同，但最终都可以看作是构建了一个基因表达矩阵，该矩阵对每个点（一个像素、一个细胞或一组细胞）的转录组进行捕获。

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图1空间转录组学技术构建基因表达矩阵（图源：[1]）
不过，现有的空间转录组学技术依然存在一些限制，比如：仅能捕获细胞总RNA分子的一小部分；达不到单细胞测序方法所能提供的分析深度和质量；破坏了原始细胞组织的环境使得对样本进行后续分析变得不可能；以及需要专门的仪器或试剂导致成本高昂。这些缺陷阻碍了对不连续的细胞群或罕见且难以分离的细胞（比如某些特殊的脑细胞，或侵入肿瘤的免疫细胞）的研究。
为此，哈佛大学Wyss仿生工程研究所的团队开发了一项名为“Light-Seq”的DNA纳米驱动技术。研究成果以“Light-Seq:light-directedinsitubarcodingofbiomoleculesinfixedcellsandtissuesforspatiallyindexedsequencing”为题于2022年10月10日发表于NatureMethods（图2）[2] 。

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图2研究成果（图源：[2]）
该技术允许研究人员通过光交联过程选择特定的目标细胞，然后利用DNA标签（barcode）对目标细胞全部的RNA序列进行“地理标记” ，随后在DNA驱动技术的帮助下，翻译成DNA单链以进行NGS测序。对于同一样本中的不同细胞群体，可以使用不同的DNA标签重复Light-Seq过程，以便后续分析（图3）。