探究不同空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)是如何應(yīng)用在神經(jīng)科學(xué)的研究
高等生物的神經(jīng)系統(tǒng)往往具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來協(xié)調(diào)機體對內(nèi)部或外部刺激的反應(yīng)。神經(jīng)系統(tǒng)管理著周圍神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間復(fù)雜的通信。由于神經(jīng)系統(tǒng)的功能主要是由功能神經(jīng)元之間的連接決定的，因此要全面了解這一系統(tǒng)，就需要通過解剖神經(jīng)元通訊來闡明不同類型神經(jīng)元之間的連接。
空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)將基因表達錨定在空間分布上，可以研究大腦結(jié)構(gòu)-功能的關(guān)系、發(fā)育過程中大腦皮層的特征，也可以發(fā)現(xiàn)退行性神經(jīng)疾病等領(lǐng)域的重要信息，這些信息可以與各種生理特征相結(jié)合以輔助我們進行深入探索。
根據(jù)獲取空間信息的原理，目前可將商業(yè)化程度較高的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)可以分為以下兩類：
1、基于成像的方法：如，RNA原位測序技術(shù)（RNA ISS）。采用與靶標基因互補的寡核苷酸探針進行原位雜交，通過對探針的滾環(huán)擴增，增加熒光探針可雜交的位點并放大信號，實現(xiàn)空間水平的基因檢出。該方法靶向性強，可達到亞細胞、單堿基分辨率，更適合復(fù)雜、微小的結(jié)構(gòu)，以及對微環(huán)境精細化解析。
2、基于測序的方法：通過結(jié)合空間條形碼構(gòu)建RNA測序文庫，利用NGS技術(shù)恢復(fù)轉(zhuǎn)錄本空間位置的技術(shù)。該方法可無偏倚捕獲組織中所有轉(zhuǎn)錄本的信息，更適合大數(shù)據(jù)的篩選與挖掘。
經(jīng)典案例
1、基于測序方法的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)
● 文章標題：基于單細胞核測序和空間組學(xué)研究帕金森病中的疾病易損神經(jīng)元
● 發(fā)表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 發(fā)表時間：2022-05
● 樣本類型：健康人中腦和背側(cè)紋狀體（尾狀核）組織（n=8）、食蟹猴間腦冠狀截面（n=27）
● 技術(shù)組合：單細胞核轉(zhuǎn)錄組測序（snRNA-seq）、NGS-based空間轉(zhuǎn)錄組、smFISH（單分子熒光原位雜交）
● 研究背景：腦黑質(zhì)致密部（SNpc）的多巴胺（DA）神經(jīng)元的變性是帕金森�。≒D）和路易體癡呆（LBD）的病理標志。然而，一些SNpc神經(jīng)元甚至存活到這些疾病的晚期，表明他們因變性而損壞的程度存在差異。由于SNpc中存在容易退化和不易退化的易損性不同的DA神經(jīng)元，本文的目的是研究DA神經(jīng)元特別是易損神經(jīng)元的分子特征，以及導(dǎo)致其死亡的分子生物學(xué)過程。
● 研究思路：
● 主要結(jié)論：本研究作者開發(fā)了一套流程來富集和捕獲PD患者和匹配的對照人群中DA神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄譜，通過snRNA-seq，作者共捕獲到387,483個細胞核，并鑒定到10個細胞亞群。隨后作者使用NGS-based空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)確定DA神經(jīng)元在食蟹猴間腦冠狀截面的空間位置。其中一個細胞亞群（表達AGTR1基因）在空間上位于SNpc的腹側(cè)區(qū)，在PD中非常容易丟失，并且TP53和NR2F2在該細胞群中高表達，表明其參與神經(jīng)元退化的分子過程。這個高度易損失的細胞群還特異性富集與PD相關(guān)的遺傳風(fēng)險基因，強調(diào)了PD相關(guān)不同DA神經(jīng)元退化程度差異存在重要的細胞內(nèi)在過程。
2、基于成像方法的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)
● 文章標題：人類胚胎大腦中的神經(jīng)元起源和分子多樣性
● 發(fā)表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 發(fā)表時間：2021-11
● 樣本類型：不同發(fā)育時期的人胎兒大腦皮層新鮮OCT包埋冰凍組織切片（n=4）
● 技術(shù)組合：單細胞轉(zhuǎn)錄組測序（scRNA-seq）、RNA ISS
● 研究背景：哺乳動物大腦的中間神經(jīng)元來自于皮層下區(qū)域，通過徑向遷移到達大腦皮層。人類胚胎大腦的皮層下區(qū)域由內(nèi)側(cè)、外側(cè)和尾側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起（MGE、LGE和CGE）組成。為了探究大腦中間神經(jīng)元的起源和細胞多樣性，研究人員利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序及新型RNA原位測序技術(shù)，系統(tǒng)地揭示了人類胚胎大腦不同發(fā)育階段，中間神經(jīng)元的起源和特異分子標記。
● 研究思路：
● 主要結(jié)論：本研究作者通過scRNA-seq和RNA ISS技術(shù)展示了不同亞型的中間神經(jīng)元前體細胞及其分子特征。研究結(jié)果揭示，人類胚胎大腦中間神經(jīng)元的多樣性由精確的基因表達組合調(diào)控而成。成年大腦的中間神經(jīng)元的細胞命運，早在胚胎期就已經(jīng)被決定了。由于焦慮癥、抑郁癥、自閉癥和精神分裂癥與中間神經(jīng)元異常發(fā)育密切相關(guān)，這項研究為人們進一步探尋精神類疾病的發(fā)病機理，提供了新思路。
3、空間轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合原位技術(shù)
● 文章標題：空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和原位測序被應(yīng)用于研究阿爾茨海默癥
● 發(fā)表期刊：Cell（IF=64.5）
● 發(fā)表時間：2020-08
● 樣本類型：阿爾茲海默癥腦組織，小鼠冠狀面（n=4）和人額上回（n=6）冰凍切片
● 技術(shù)組合：scRNA-seq、NGS-based空間轉(zhuǎn)錄組、RNA ISS、smFISH和IHC
● 研究背景：阿爾茨海默癥（AD）是發(fā)生于老年和老年前期的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，主要表現(xiàn)為記憶障礙、失語、失用、失認、視空間能力損害、抽象思維和計算能力損害、人格和行為改變等。目前阿爾茨海默病研究的一個核心問題是淀粉樣斑塊與神經(jīng)退行性過程的關(guān)系，盡管在AD的淀粉樣斑塊周圍觀察到復(fù)雜的炎癥樣變化，但對其特征的分子變化和細胞相互作用了解較少。
● 研究思路：
總結(jié)
綜上所述，不同原理的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)均可在神經(jīng)科學(xué)的研究中發(fā)揮著重要的作用。此外，在其它領(lǐng)域（如組織建立空間圖譜、探究組織器官發(fā)育過程、探索疾病因素及疾病發(fā)展過程等方面）同樣具有豐富的應(yīng)用價值。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)不僅僅局限于二維空間，更可以通過連續(xù)切片構(gòu)建3D圖譜。由于其更易臨床診斷相結(jié)合的特點，我們期待其未來在更多的研究領(lǐng)域中發(fā)揮重要的功能與作用。
參考文獻
1，Rao A, Barkley D, França GS et al. Exploring tissue architecture using spatial transcriptomics. Nature. 2021 Aug;596(7871):211-220. doi: 10.1038/s41586-021-03634-9. Epub 2021 Aug 11. PMID: 34381231; PMCID: PMC8475179.
2，Kamath T, Abdulraouf A, Burris SJ et al. Single-cell genomic profiling of human dopamine neurons identifies a population that selectively degenerates in Parkinson's disease. Nat Neurosci. 2022 May;25(5):588-595. doi: 10.1038/s41593-022-01061-1. Epub 2022 May 5. PMID: 35513515; PMCID: PMC9076534.
3，Yu Y, Zeng Z, Xie D et al.. Interneuron origin and molecular diversity in the human fetal brain. Nat Neurosci. 2021 Dec;24(12):1745-1756. doi: 10.1038/s41593-021-00940-3. Epub 2021 Nov 4. PMID: 34737447.
4，Chen WT, Lu A, Craessaerts K et al. Spatial Transcriptomics and In Situ Sequencing to Study Alzheimer's Disease. Cell. 2020 Aug 20;182(4):976-991.e19. doi: 10.1016/j.cell.2020.06.038. Epub 2020 Jul 22. PMID: 32702314.
空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)將基因表達錨定在空間分布上，可以研究大腦結(jié)構(gòu)-功能的關(guān)系、發(fā)育過程中大腦皮層的特征，也可以發(fā)現(xiàn)退行性神經(jīng)疾病等領(lǐng)域的重要信息，這些信息可以與各種生理特征相結(jié)合以輔助我們進行深入探索。
空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究
根據(jù)獲取空間信息的原理，目前可將商業(yè)化程度較高的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)可以分為以下兩類：
1、基于成像的方法：如，RNA原位測序技術(shù)（RNA ISS）。采用與靶標基因互補的寡核苷酸探針進行原位雜交，通過對探針的滾環(huán)擴增，增加熒光探針可雜交的位點并放大信號，實現(xiàn)空間水平的基因檢出。該方法靶向性強，可達到亞細胞、單堿基分辨率，更適合復(fù)雜、微小的結(jié)構(gòu)，以及對微環(huán)境精細化解析。
2、基于測序的方法：通過結(jié)合空間條形碼構(gòu)建RNA測序文庫，利用NGS技術(shù)恢復(fù)轉(zhuǎn)錄本空間位置的技術(shù)。該方法可無偏倚捕獲組織中所有轉(zhuǎn)錄本的信息，更適合大數(shù)據(jù)的篩選與挖掘。
兩種基于不同原理獲取空間信息的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)
經(jīng)典案例
1、基于測序方法的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)
● 文章標題：基于單細胞核測序和空間組學(xué)研究帕金森病中的疾病易損神經(jīng)元
● 發(fā)表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 發(fā)表時間：2022-05
● 樣本類型：健康人中腦和背側(cè)紋狀體（尾狀核）組織（n=8）、食蟹猴間腦冠狀截面（n=27）
● 技術(shù)組合：單細胞核轉(zhuǎn)錄組測序（snRNA-seq）、NGS-based空間轉(zhuǎn)錄組、smFISH（單分子熒光原位雜交）
● 研究背景：腦黑質(zhì)致密部（SNpc）的多巴胺（DA）神經(jīng)元的變性是帕金森�。≒D）和路易體癡呆（LBD）的病理標志。然而，一些SNpc神經(jīng)元甚至存活到這些疾病的晚期，表明他們因變性而損壞的程度存在差異。由于SNpc中存在容易退化和不易退化的易損性不同的DA神經(jīng)元，本文的目的是研究DA神經(jīng)元特別是易損神經(jīng)元的分子特征，以及導(dǎo)致其死亡的分子生物學(xué)過程。
● 研究思路：
● 主要結(jié)論：本研究作者開發(fā)了一套流程來富集和捕獲PD患者和匹配的對照人群中DA神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄譜，通過snRNA-seq，作者共捕獲到387,483個細胞核，并鑒定到10個細胞亞群。隨后作者使用NGS-based空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)確定DA神經(jīng)元在食蟹猴間腦冠狀截面的空間位置。其中一個細胞亞群（表達AGTR1基因）在空間上位于SNpc的腹側(cè)區(qū)，在PD中非常容易丟失，并且TP53和NR2F2在該細胞群中高表達，表明其參與神經(jīng)元退化的分子過程。這個高度易損失的細胞群還特異性富集與PD相關(guān)的遺傳風(fēng)險基因，強調(diào)了PD相關(guān)不同DA神經(jīng)元退化程度差異存在重要的細胞內(nèi)在過程。
DA亞型在非人靈長類和人中腦的空間定位
2、基于成像方法的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)
● 文章標題：人類胚胎大腦中的神經(jīng)元起源和分子多樣性
● 發(fā)表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 發(fā)表時間：2021-11
● 樣本類型：不同發(fā)育時期的人胎兒大腦皮層新鮮OCT包埋冰凍組織切片（n=4）
● 技術(shù)組合：單細胞轉(zhuǎn)錄組測序（scRNA-seq）、RNA ISS
● 研究背景：哺乳動物大腦的中間神經(jīng)元來自于皮層下區(qū)域，通過徑向遷移到達大腦皮層。人類胚胎大腦的皮層下區(qū)域由內(nèi)側(cè)、外側(cè)和尾側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起（MGE、LGE和CGE）組成。為了探究大腦中間神經(jīng)元的起源和細胞多樣性，研究人員利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序及新型RNA原位測序技術(shù)，系統(tǒng)地揭示了人類胚胎大腦不同發(fā)育階段，中間神經(jīng)元的起源和特異分子標記。
● 研究思路：
● 主要結(jié)論：本研究作者通過scRNA-seq和RNA ISS技術(shù)展示了不同亞型的中間神經(jīng)元前體細胞及其分子特征。研究結(jié)果揭示，人類胚胎大腦中間神經(jīng)元的多樣性由精確的基因表達組合調(diào)控而成。成年大腦的中間神經(jīng)元的細胞命運，早在胚胎期就已經(jīng)被決定了。由于焦慮癥、抑郁癥、自閉癥和精神分裂癥與中間神經(jīng)元異常發(fā)育密切相關(guān)，這項研究為人們進一步探尋精神類疾病的發(fā)病機理，提供了新思路。
3、空間轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合原位技術(shù)
● 文章標題：空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和原位測序被應(yīng)用于研究阿爾茨海默癥
● 發(fā)表期刊：Cell（IF=64.5）
● 發(fā)表時間：2020-08
● 樣本類型：阿爾茲海默癥腦組織，小鼠冠狀面（n=4）和人額上回（n=6）冰凍切片
● 技術(shù)組合：scRNA-seq、NGS-based空間轉(zhuǎn)錄組、RNA ISS、smFISH和IHC
● 研究背景：阿爾茨海默癥（AD）是發(fā)生于老年和老年前期的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，主要表現(xiàn)為記憶障礙、失語、失用、失認、視空間能力損害、抽象思維和計算能力損害、人格和行為改變等。目前阿爾茨海默病研究的一個核心問題是淀粉樣斑塊與神經(jīng)退行性過程的關(guān)系，盡管在AD的淀粉樣斑塊周圍觀察到復(fù)雜的炎癥樣變化，但對其特征的分子變化和細胞相互作用了解較少。
● 研究思路：
● 主要結(jié)論：本研究作者通過使用NGS-based空間轉(zhuǎn)錄組和RNA ISS技術(shù)來分析由淀粉樣斑塊在數(shù)百個小組織域中引起的轉(zhuǎn)錄組改變，通過這種方式，收集了在小鼠和人類大腦中生成大量的數(shù)據(jù)集，提出淀粉樣斑塊并非與阿爾茲海默癥疾病毫無關(guān)聯(lián)，實際上其誘導(dǎo)了周圍細胞的強烈和協(xié)調(diào)的反應(yīng)。因此，我們不該就此無視淀粉樣蛋白沉積，簡單認為它只是疾病的產(chǎn)物。相反，淀粉樣斑塊可能是阿爾茨海默病的誘因或驅(qū)動因素。
RNA ISS識別斑塊誘導(dǎo)基因的表達特征
總結(jié)
綜上所述，不同原理的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)均可在神經(jīng)科學(xué)的研究中發(fā)揮著重要的作用。此外，在其它領(lǐng)域（如組織建立空間圖譜、探究組織器官發(fā)育過程、探索疾病因素及疾病發(fā)展過程等方面）同樣具有豐富的應(yīng)用價值。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)不僅僅局限于二維空間，更可以通過連續(xù)切片構(gòu)建3D圖譜。由于其更易臨床診斷相結(jié)合的特點，我們期待其未來在更多的研究領(lǐng)域中發(fā)揮重要的功能與作用。
參考文獻
1，Rao A, Barkley D, França GS et al. Exploring tissue architecture using spatial transcriptomics. Nature. 2021 Aug;596(7871):211-220. doi: 10.1038/s41586-021-03634-9. Epub 2021 Aug 11. PMID: 34381231; PMCID: PMC8475179.
2，Kamath T, Abdulraouf A, Burris SJ et al. Single-cell genomic profiling of human dopamine neurons identifies a population that selectively degenerates in Parkinson's disease. Nat Neurosci. 2022 May;25(5):588-595. doi: 10.1038/s41593-022-01061-1. Epub 2022 May 5. PMID: 35513515; PMCID: PMC9076534.
3，Yu Y, Zeng Z, Xie D et al.. Interneuron origin and molecular diversity in the human fetal brain. Nat Neurosci. 2021 Dec;24(12):1745-1756. doi: 10.1038/s41593-021-00940-3. Epub 2021 Nov 4. PMID: 34737447.
4，Chen WT, Lu A, Craessaerts K et al. Spatial Transcriptomics and In Situ Sequencing to Study Alzheimer's Disease. Cell. 2020 Aug 20;182(4):976-991.e19. doi: 10.1016/j.cell.2020.06.038. Epub 2020 Jul 22. PMID: 32702314.
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