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空间转录组测序技术

定位和区分功能基因在特定组织区域内的活跃表达

产品介绍

空间转录组是从空间层面上解析RNA-seq数据的技术，从而解析单个组织切片中的所有mRNA，从而能够定位和区分功能基因在特定组织区域内的活跃表达。

细胞在组织内的物理位置是决定其分子特性的关键因素

普通转录组

得到组织中混合细胞（bulk）表达情况，无法解析细胞表达异质性，即无法得到每个细胞的表达情况。

单细胞转录组

10x genomics等单细胞转录组测序技术可以得到每个细胞的表达情况，从而解析组织内细胞异质性。

空间转录组

10x visium等将组织切片与转录组测序结合，实现空间信息和转录本信息的获取。添加基因表达空间分布信息，进一步提高组织内部分辨率。

技术原理

空间转录组测序技术原理

  • 1、对新鲜冷冻组织进行切片，并进行成像。
  • 2、将组织切片放置在含有与RNA结合捕获探针的载玻片上，并进行固定和透化（使细胞中的mRNA得到释放，并结合到相应的捕获探针上，从而获取基因表达信息）。
  • 3、以捕获的RNA为模板进行cDNA合成和测序文库制备。
  • 4、对制备好的文库进行测序。
  • 5、数据可视化分析（确定哪些基因得到表达，基因表达量，以及这些基因的空间位置信息）。

10x Genomics空间转录组测序技术原理

 

10x Genomics空间转录组用于文库构建的每张载玻片上有四个捕获区域，每个捕获区域的大小为6.5×6.5mm，包含5000个被条形码标记的点（barcoded spots），每个点的直径为55 μm，点和点之间中心的距离为100 μm，并且每个点都有一个唯一的barcode序列。

组织切片的细胞中会释放出mRNA，迁移到每个spot的mRNA会被标记上相应的barcode序列，然后进行文库构建并进行测序。

最后，根据数据的条形码信息对数据进行分析，以确定哪些数据来自哪个位置，从而实现空间基因表达的可视化。

应用方向

  • 病理学

    通过添加基因表达维度，得出形态学结论

  • 免疫学

    免疫细胞浸润、免疫细胞中的基因表达特征

  • 发育生物学

    发现组织背景中与形态形成有关的基因

  • 神经科学

    绘制大脑的各个细胞层、区分正常与患病的大脑解剖特征

  • 肿瘤学

    肿瘤微环境、肿瘤异质性、病程进展、癌症形态、肿瘤浸润淋巴细胞

结果展示

?小鼠肾脏空间转录组的mRNA表达及聚类

A代表组织切片的HE染色。B和C分别代表UMI计数和总基因计数与组织空间位置的图像叠加。D代表基于总体差异表达基因的空间聚类结果，最右边显示了cluster2排名前10的特异表达基因。E、F、G、H分别代表了不同基因的空间mRNA表达。

小鼠大脑空间分辨率的基因表达

A代表组织切片的HE染色。B和C分别代表海马组织的标记基因Tmsb4x和Selenow基因的空间表达情况，结果显示这两个基因在海马体中显著高表达，符合已知的基因表达模式

常见问题

数据量如何确定

样本类型、Coverage、表达量不同、数据量也会不同，数据量推荐≥50k reads pairs per spot，(50% tissue coverage * 5000 total spots) * 50,000 read pairs per spot= 125 million read pairs (250M total reads)。故，推荐数据量30G-60G/样

空间转录组数据如何可视化？

详情见：空间转录组数据可视化介绍–loupe browser

样本如何制备？

实验流程为：新鲜组织取样-异戊烷冻存-OCT包埋-冷冻切片-染色-显微镜观察-建库测序 需要客户准备：新鲜组织取样–异戊烷冻存（保存或运输）–OCT包埋–保存或运输 客户在制备样本时，需要准备3份样本（至少2份），每块组织样本不宜过大（长宽高约0.8 cm ）

a.一份用于常规RNA提取，以确保样本自身及样本制备不存在问题，当RNA RIN>8时，可进行后续实验

b.一份用于正常的切片实验

c.一份用作备份

详情见：【空间转录组】样本制备（一）

空间转录组的已发表文献有哪些？

标题

时间 期刊 题目 IF 类别
2020.01 Nature Biotechnology Integrating microarray-based spatial transcriptomics and single-cell RNA-seq reveals tissue architecture in pancreatic ductal adenocarcinomas 31.864? PDAC肿瘤异质性
2020.01 Nature cell biology Combined single-cell and spatial transcriptomics reveal the molecular, cellular and spatial bone marrow niche organization 17.428 骨髓造血微环境
2019.12 Cell A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart 36.216 人类心脏发育
2019.04 Science Spatiotemporal dynamics of molecular pathology in amyotrophic lateral sclerosis 41.037 肌萎缩性侧索硬化症
2018.11 Nat Protoc Barcodedsolid-phase RNA capture SpatialTranscriptomics pro?ling mammaliantissue sections 11.334 实验方法
2018.10 Cancer Research Spatially Resolved Transcriptomics Enables Dissection of Genetic Heterogeneity in Stage III Cutaneous Malignant Melanoma 8.378 黑色素瘤异质性
2018.06 Nat Commun Spatial maps of prostate cancer transcriptomes reveal an unexplored landscape of heterogeneity 11.878 前列腺癌异质性

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