一文读懂空间转录组学的力量!

科林回拔

空间生物学是一个不断发展的研究领域，试图在解剖学、形态学和组织结构的背景下更好地了解分子和细胞事件。在这篇文章中，您可以了解科学家们所分享的生物学为什么需要空间分析，以及现在使用这项技术可以实现什么。空间转录组学是一种从空间上解析组织中基因表达模式的方法，欢迎阅读本文，探索一些展示空间转录组学力量的重要文献。

生物学为什么需要空间分析

“在生物学中，几乎一切都与结构有关——各个部分在空间上如何排列，又如何组合在一起。”
——哈佛医学院教授，George Church博士

生物学不仅仅是其各个部分的总和。复杂的分子通路在细胞中发挥作用，而细胞又作为更大的组织生态系统中的一部分。内源细胞群的组成和结构决定了该组织的健康状况和正常功能，并影响疾病结果。同时，组织结构也发挥重要作用，或促进或阻碍细胞互作和活性。
因此，若只关注组织的各个部分（细胞），而不是更大的结构，就会错过组织生态系统中细胞身份、定位和功能之间的重要关系——这就像试图拼凑出一幅大师级的画作，但只知道画家使用的颜色一样。
为了更全面地了解组织复杂性，科学家们已经开始使用各种空间技术，以高分子分辨率来研究组织。这些工具通常能够获取组织切片中各个细胞的空间分辨RNA分析物，而多个整合其他分析物（如蛋白质表达）的商业平台正在积极开发中。
这种方法还有很多可能性。例如，空间背景也许有助于了解细胞间通讯和结构内的策略定位。通过追踪细胞在其天然组织中的位置，可扩展单个细胞的分子分析，例如先进的单细胞技术所提供的分析。

“原位方法有助于协调或将细胞置于其环境下。这将大大提高您解释单细胞数据的能力。”
——斯德哥尔摩大学首席研究员，Mats Nilsson教授
斯德哥尔摩大学的Nilsson博士是空间生物学领域的权威专家，他也发现了原位方法的力量，因为它们有助于观察“无法完全再现的组织结构（如肿瘤）中的细胞拓扑结构和细胞内容。”确实，空间技术拥有巨大的潜力，能够揭示复杂而珍贵的组织在健康和疾病中如何发挥作用，为癌症或传染病等组织驻留疾病的基础探索和转化研究提供新机会。领先的研究人员在空间技术中发现了同样的潜力：

“我们正利用空间基因组学来探索一些有趣的领域，特别是在人类发育中。在完整胚胎分析中，我们开始获取这种珍贵材料的冠状切片，并真正分析其基因表达。我们能够定位组成人体胚胎的所有细胞。这将是第一份完整的图谱。”
——Wellcome Sanger研究院首席研究员，Muzlifah Haniffa教授

“至今仍让我对这个领域兴奋不已并激励我每天进一步突破边界的动力是开展空间分析，开展组织水平的分析，这将为我们提供更强大的信息，让我们尝试了解正常和疾病的状态。例如，我现在看到的是一个健康个体的全身模型。我们将详细了解每种组织——它们是如何正常工作的。然后，我们能够从患病个体中提取出特征，也就是患有某种组织疾病的个体。在分析后，将其映射回模型，您就能看到所有偏离正常的东西。”
——斯德哥尔摩大学首席研究员，Mats Nilsson教授

“原位方法将帮助我们鉴定所有组分并开始解决病理学问题，基本的细胞功能在感染时如何出错。或者说，一个神经元与其邻居之间可能形成数千个连接——而两个神经元之间可能很遥远，有时甚至在几厘米之外——这种精细的组织真的很需要三维结构。当神经精神疾病中的连接出错时，这将帮助我们深入内部并做出改变。”
——哈佛医学院、Wyss研究所创始核心成员及负责人，George Church教授

探索空间生物学的可能性
某些方面的空间研究正在有序进行，而其他方面才刚刚开始。科学家们已使用空间技术在多个研究领域取得重要进展，从表征健康发育背后的细胞和分子事件，到疾病的发病机制和治疗应答。但他们每天还在用创新的空间工具探索新的应用和可能性，这些工具能够获取更多的生物学分析物，同时保留形态学背景。您可以在此了解其中的一些创新，包括空间T细胞受体测序、空间CRISPR，以及最近的病毒RNA空间映射。

阅读下文，您可以了解利用空间基因表达（又称为空间转录组学）开展的一些有影响力的研究，有了这种技术，研究人员能够将显微镜与分子生物学相结合来绘制组织切片中的转录组。

对胶质母细胞瘤异质性而言，位置很重要
在人体的所有器官内，大脑最能体现组织的空间结构与功能之间的密切关系。影响中枢神经系统的癌症也是如此。在这项研究中，研究人员试图表征胶质母细胞瘤的局部微环境对肿瘤发生的影响，以及恶性肿瘤的功能和空间结构(1)。他们首先生成了28个胶质母细胞瘤样本及健康对照的空间分辨转录组学图谱。将这些结果与空间分辨的蛋白质组学和代谢组学分析进行整合后，他们发现大多数患者样本共享了五种不同的区域性转录程序。其中的两种程序与神经胶质细胞相关基因的高表达有关：第一种显示出放射状神经胶质细胞相关基因的表达增加，而另一种则富含与炎症相关的基因，且可能参与免疫抑制的浸润性髓系和淋巴细胞显著增加。另外两种程序的特点是来源于神经或少突胶质细胞。第五种空间上不同的转录程序的独特之处在于其与低氧应答和糖酵解基因相关联，表明代谢变化和氧浓度驱动了不同的转录状态。此外，基因组数据表明第五个区域内细胞的拷贝数变化增加，为低氧条件下的基因组不稳定性增加提供了证据。总而言之，这些详细的结果为人们了解患者间胶质母细胞瘤的异质性以及治疗应答的变化提供了一个框架。

发育成一颗心脏
对发育的生物体来说，最小的分子事件决定了之后出现的巨大生理变化。发育生物学的挑战在于如何解析这些分子事件并将它们与受其影响的生物学层次关联起来——从特定细胞类型中的基因表达变化，到调控器官发生的组织特异性的空间基因表达模式。一组研究人员试图了解人类心脏发育的这一过程。他们将单细胞RNA测序（scRNA-seq）、空间基因表达和原位测序相结合，在发育的三个不同时间点构建了人类心脏的三维器官图谱(2)。
他们的分析能够对发育心脏的解剖区域进行严格的分子注释，并指出心脏发育的新模式，其中器官内不同区域的基因表达差异比不同时间点的差异更明显。此外，他们的多模态数据为心脏中细胞的区域和时间异质性提供了更清晰的注释。例如，尽管目前已知有两个心肌细胞亚群分别定位在心房和心室，但研究团队鉴定出第三个心肌细胞亚群，这个以前未发现的亚群同时定位在这两个区域。

一种看不见的易感性导致狼疮中的皮肤炎症
自身免疫性疾病在诊断和治疗上仍具有挑战性，这主要是因为疾病的临床表现不同，而且对疾病特异性的细胞和分子机制的了解有限。皮肤红斑狼疮（CLE）是一种与系统性红斑狼疮（SLE）相关的炎症性皮肤病。尽管50%的SLE患者对系统性定向治疗有应答，但许多病例在全身性疾病得到控制后仍会出现难治性CLE(3)。
为了更好地了解CLE的炎症组分，密歇根大学的研究人员采集了活动期CLE患者以及健康对照的病变和非病变（看似正常）皮肤样本，并开展了scRNA-seq和空间基因表达分析。结果表明，狼疮患者看似正常的皮肤实际上是一种富含I型干扰素的病灶前环境。研究人员还观察到，CD16+树突状细胞在病灶和病灶前环境中大量积累，表明该细胞群在驱动局部先天免疫细胞的细胞间通讯并最终促进组织损伤和CLE发病中发挥核心作用。
这些激动人心的项目仅仅代表了一小部分利用空间技术开展的有影响力的多元化研究。它们展示了空间信息的巨大潜力，有望推动基础生物学探索和关键的临床转化应用。

通往空间的道路不止一条
显然，生物学需要空间分析来揭开复杂的组织系统，这为了解那些对健康和疾病失调很重要的细胞和分子过程提供了框架。然而，究竟哪条通往空间的道路是正确的，目前还不是很清楚。确实，“正确的”道路不止一条，而是很多，当您开始探索空间工具领域时，您可能想了解更多情况。现在有哪些工具，它们的原理如何？如何为您的研究项目选择合适的空间解决方案？
我们将在后续的空间之路系列文章中更详细地探讨这些问题，介绍空间技术的发展史，并介绍现有的一些空间技术选项。敬请关注！
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参考文献：
1. Ravi VM, et al. Spatially resolved multi-omics deciphers bidirectional tumor-host interdependence in glioblastoma. Cancer Cell 40: 639–655.e13 (2022). doi: 10.1016/j.ccell.2022.05.009
2. Asp M, et al. A spatiotemporal organ-wide gene expression and cell atlas of the developing human heart. Cell 179: 1647–1660 (2019). doi: 10.1016/j.cell.2019.11.025
3. Billi A, et al. Nonlesional lupus skin contributes to inflammatory education of myeloid cells and primes for cutaneous inflammation. Sci Transl Med 14: eabn2263 (2022). doi: 10.1126/scitranslmed.abn2263

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