探究不同空間轉錄組技術是如何應用在神經科學的研究
高等生物的神經系統(tǒng)往往具有復雜的結構來協(xié)調機體對內部或外部刺激的反應。神經系統(tǒng)管理著周圍神經系統(tǒng)和中樞神經系統(tǒng)之間復雜的通信。由于神經系統(tǒng)的功能主要是由功能神經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元通訊來闡明不同類型神經元之間的連接。
空間轉錄組技術將基因表達錨定在空間分布上，可以研究大腦結構-功能的關系、發(fā)育過程中大腦皮層的特征，也可以發(fā)現(xiàn)退行性神經疾病等領域的重要信息，這些信息可以與各種生理特征相結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錄組技術可以分為以下兩類：
1、基于成像的方法：如，RNA原位測序技術（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，更適合復雜、微小的結構，以及對微環(huán)境精細化解析。
2、基于測序的方法：通過結合空間條形碼構建RNA測序文庫，利用NGS技術恢復轉錄本空間位置的技術。該方法可無偏倚捕獲組織中所有轉錄本的信息，更適合大數(shù)據(jù)的篩選與挖掘。
經典案例
1、基于測序方法的空間轉錄組技術
● 文章標題：基于單細胞核測序和空間組學研究帕金森病中的疾病易損神經元
● 發(fā)表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 發(fā)表時間：2022-05
● 樣本類型：健康人中腦和背側紋狀體（尾狀核）組織（n=8）、食蟹猴間腦冠狀截面（n=27）
● 技術組合：單細胞核轉錄組測序（snRNA-seq）、NGS-based空間轉錄組、smFISH（單分子熒光原位雜交）
● 研究背景：腦黑質致密部（SNpc）的多巴胺（DA）神經元的變性是帕金森病（PD）和路易體癡呆（LBD）的病理標志。然而，一些SNpc神經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神經元，本文的目的是研究DA神經元特別是易損神經元的分子特征，以及導致其死亡的分子生物學過程。
● 研究思路：
● 主要結論：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神經元的轉錄譜，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空間轉錄組技術確定DA神經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相關的遺傳風險基因，強調了PD相關不同DA神經元退化程度差異存在重要的細胞內在過程。
2、基于成像方法的空間轉錄組技術
● 文章標題：人類胚胎大腦中的神經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）
● 技術組合：單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）、RNA ISS
● 研究背景：哺乳動物大腦的中間神經元來自于皮層下區(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)域由內側、外側和尾側神經節(jié)隆起（MGE、LGE和CGE）組成。為了探究大腦中間神經元的起源和細胞多樣性，研究人員利用單細胞轉錄組測序及新型RNA原位測序技術，系統(tǒng)地揭示了人類胚胎大腦不同發(fā)育階段，中間神經元的起源和特異分子標記。
● 研究思路：
● 主要結論：本研究作者通過scRNA-seq和RNA ISS技術展示了不同亞型的中間神經元前體細胞及其分子特征。研究結果揭示，人類胚胎大腦中間神經元的多樣性由精確的基因表達組合調控而成。成年大腦的中間神經元的細胞命運，早在胚胎期就已經被決定了。由于焦慮癥、抑郁癥、自閉癥和精神分裂癥與中間神經元異常發(fā)育密切相關，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、空間轉錄組聯(lián)合原位技術
● 文章標題：空間轉錄組學和原位測序被應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
● 技術組合：scRNA-seq、NGS-based空間轉錄組、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退行性過程的關系，盡管在AD的淀粉樣斑塊周圍觀察到復雜的炎癥樣變化，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
綜上所述，不同原理的空間轉錄組技術均可在神經科學的研究中發(fā)揮著重要的作用。此外，在其它領域（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）同樣具有豐富的應用價值。隨著技術的不斷發(fā)展，空間轉錄組技術不僅僅局限于二維空間，更可以通過連續(xù)切片構建3D圖譜。由于其更易臨床診斷相結合的特點，我們期待其未來在更多的研究領域中發(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.
空間轉錄組技術將基因表達錨定在空間分布上，可以研究大腦結構-功能的關系、發(fā)育過程中大腦皮層的特征，也可以發(fā)現(xiàn)退行性神經疾病等領域的重要信息，這些信息可以與各種生理特征相結合以輔助我們進行深入探索。
空間轉錄組技術應用于神經科學研究
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錄組技術可以分為以下兩類：
1、基于成像的方法：如，RNA原位測序技術（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，更適合復雜、微小的結構，以及對微環(huán)境精細化解析。
2、基于測序的方法：通過結合空間條形碼構建RNA測序文庫，利用NGS技術恢復轉錄本空間位置的技術。該方法可無偏倚捕獲組織中所有轉錄本的信息，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錄組技術
經典案例
1、基于測序方法的空間轉錄組技術
● 文章標題：基于單細胞核測序和空間組學研究帕金森病中的疾病易損神經元
● 發(fā)表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 發(fā)表時間：2022-05
● 樣本類型：健康人中腦和背側紋狀體（尾狀核）組織（n=8）、食蟹猴間腦冠狀截面（n=27）
● 技術組合：單細胞核轉錄組測序（snRNA-seq）、NGS-based空間轉錄組、smFISH（單分子熒光原位雜交）
● 研究背景：腦黑質致密部（SNpc）的多巴胺（DA）神經元的變性是帕金森病（PD）和路易體癡呆（LBD）的病理標志。然而，一些SNpc神經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神經元，本文的目的是研究DA神經元特別是易損神經元的分子特征，以及導致其死亡的分子生物學過程。
● 研究思路：
● 主要結論：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神經元的轉錄譜，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空間轉錄組技術確定DA神經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相關的遺傳風險基因，強調了PD相關不同DA神經元退化程度差異存在重要的細胞內在過程。
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錄組技術
● 文章標題：人類胚胎大腦中的神經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）
● 技術組合：單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）、RNA ISS
● 研究背景：哺乳動物大腦的中間神經元來自于皮層下區(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)域由內側、外側和尾側神經節(jié)隆起（MGE、LGE和CGE）組成。為了探究大腦中間神經元的起源和細胞多樣性，研究人員利用單細胞轉錄組測序及新型RNA原位測序技術，系統(tǒng)地揭示了人類胚胎大腦不同發(fā)育階段，中間神經元的起源和特異分子標記。
● 研究思路：
● 主要結論：本研究作者通過scRNA-seq和RNA ISS技術展示了不同亞型的中間神經元前體細胞及其分子特征。研究結果揭示，人類胚胎大腦中間神經元的多樣性由精確的基因表達組合調控而成。成年大腦的中間神經元的細胞命運，早在胚胎期就已經被決定了。由于焦慮癥、抑郁癥、自閉癥和精神分裂癥與中間神經元異常發(fā)育密切相關，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、空間轉錄組聯(lián)合原位技術
● 文章標題：空間轉錄組學和原位測序被應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
● 技術組合：scRNA-seq、NGS-based空間轉錄組、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退行性過程的關系，盡管在AD的淀粉樣斑塊周圍觀察到復雜的炎癥樣變化，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：
● 主要結論：本研究作者通過使用NGS-based空間轉錄組和RNA ISS技術來分析由淀粉樣斑塊在數(shù)百個小組織域中引起的轉錄組改變，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聯(lián)，實際上其誘導了周圍細胞的強烈和協(xié)調的反應。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物。相反，淀粉樣斑塊可能是阿爾茨海默病的誘因或驅動因素。
RNA ISS識別斑塊誘導基因的表達特征
總結
綜上所述，不同原理的空間轉錄組技術均可在神經科學的研究中發(fā)揮著重要的作用。此外，在其它領域（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）同樣具有豐富的應用價值。隨著技術的不斷發(fā)展，空間轉錄組技術不僅僅局限于二維空間，更可以通過連續(xù)切片構建3D圖譜。由于其更易臨床診斷相結合的特點，我們期待其未來在更多的研究領域中發(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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