新组学技术 | Stereo-seq:大视场纳米级分辨率时空组学技术

2021-01-12 551文献解读

2021年1月19日,深圳华大生命科学研究院联合国内外多机构共同开发的全新空间转录组测序技术:Stereo-seq对外发布,该技术以前所未有的(亚细胞级)分辨率对组织切片进行高通量转录组分析,区域可扩展到厘米级,具有高灵敏度和均匀的捕获率。相关研究内容已经在BioRxiv上进行了预印刊载。

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高通量原位基因表达谱是组织复杂性系统研究的一个重要进展。在具有足够捕获面积和高通量的情况下应用,将有助于定义组织和生物体中基因表达的时空动态。然而,当前的技术具有相当大的瓶颈,限制了广泛的应用。研究团队结合了DNA纳米球(DNB)芯片和原位RNA捕获技术开发了大视场纳米级分辨率时空组学技术(Stereo-seq)。

该技术首先将含有随机条形码序列的DNB沉积到经光刻蚀刻的经修饰的芯片上(步骤一)。与基于珠子的方法相比,使用滚环扩增放大产生的标记为DNB的随机条形码取得更大的空间条形码池,同时保持序列保真度。然后对阵列进行显微照相,用引物孵育并测序,以获得包含每个蚀刻DNB的坐标编码(CID)的数据矩阵(步骤二)。通过与CID杂交,在每个点上连接分子编码(MID)和含有寡核苷酸的polyT序列(步骤三)。下一步包括组织polyA尾RNA的捕获,通过将新鲜氮气冷冻组织切片加载到芯片表面,然后进行固定、渗透,最后进行逆转录和扩增(步骤四)。收集扩增后的cDNA,作为制备文库的模板,与CID一起进行测序(步骤五)。对测序数据进行计算分析,可以实现空间分辨的转录组学研究,其分辨率为500或715nm(步骤六)。

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Stereo-seq技术使每100μm2(哺乳动物单细胞的平均大小)的信号点数量明显高于任何其他可用方法。作为原理性的证明,研究人员还将Stereo-seq应用于成年小鼠的大脑和E11.5和E16.5小鼠胚胎的矢状切面,验证了其独特的功能和对其他修饰的适应性,Stereo-seq技术的开发为组织和生物体的系统化空间分辨组学表征打下坚实的基础。

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综上所述,Stereo-seq是一种空间分辨的转录组技术:

  1. 具有亚细胞级的分辨率、厘米级的视野、高灵敏度、最小的bin空间和高bin-to-bin的重现性,这些参数都是可靠地剖析复杂组织和生物体的转录组异质性的基础。
  2. 基于标准的DNB测序方法,可以迅速提高样本通量,并在短时间内系统地分析数百个来自同一组织的连续切片。此功能对于正确理解组织中基因表达的动态以及实现3D转录组重建的最终目标是必需的。在这方面,通过Stereo-seq检索到的精确空间坐标可以实现不同载玻片的最佳整合。
  3. Stereo-seq的进一步优化将增加基因和转录本的捕获,有助于在不需要scRNA-seq数据的情况下分配单个细胞的身份和广泛鉴定亚细胞转录组特征。前者也可以通过Stereo-seq玻片的免疫染色或结合寡核苷酸标记的抗体同时检测表面标记的蛋白质来实现,这可以很容易地纳入到DNB中。同样,我们预计Stereo-seq还将有RNA测序以外的其他应用,特别是空间分辨的表观基因组学(如染色质可及性分析和DNA甲基化检测)和基因组测序。

因此,通过生成全面的健康和疾病体图谱以及进化和器官发育图谱,Stereo-seq及其未来的技术优化将对多个研究领域产生巨大变革。Stereo-seq可能作为医学影像和组织病理学数据的补充,成为一种特殊的诊断工具,进入常规临床实践。

参考文献
Ao Chen, Sha Liao, Mengnan cheng, et al.Large field of view-spatially resolved transcriptomics at nanoscale resolution[J]. bioRxiv, Posted January 19, 2021.
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