探究不同空间转录组技术是如何应用在神经科学的研究
2023-11-23 来源:本站 点击次数:2412
高等生物的神经系统往往具有复杂的结构来协调机体对内部或外部刺激的反应。神经系统管理着周围神经系统和中枢神经系统之间复杂的通信。由于神经系统的功能主要是由功能神经元之间的连接决定的，因此要全面了解这一系统，就需要通过解剖神经元通讯来阐明不同类型神经元之间的连接。
空间转录组技术将基因表达锚定在空间分布上，可以研究大脑结构-功能的关系、发育过程中大脑皮层的特征，也可以发现退行性神经疾病等领域的重要信息，这些信息可以与各种生理特征相结合以辅助我们进行深入探索。
根据获取空间信息的原理，目前可将商业化程度较高的空间转录组技术可以分为以下两类：
1、基于成像的方法：如，RNA原位测序技术（RNA ISS）。采用与靶标基因互补的寡核苷酸探针进行原位杂交，通过对探针的滚环扩增，增加荧光探针可杂交的位点并放大信号，实现空间水平的基因检出。该方法靶向性强，可达到亚细胞、单碱基分辨率，更适合复杂、微小的结构，以及对微环境精细化解析。
2、基于测序的方法：通过结合空间条形码构建RNA测序文库，利用NGS技术恢复转录本空间位置的技术。该方法可无偏倚捕获组织中所有转录本的信息，更适合大数据的筛选与挖掘。
经典案例
1、基于测序方法的空间转录组技术
● 文章标题：基于单细胞核测序和空间组学研究帕金森病中的疾病易损神经元
● 发表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 发表时间：2022-05
● 样本类型：健康人中脑和背侧纹状体（尾状核）组织（n=8）、食蟹猴间脑冠状截面（n=27）
● 技术组合：单细胞核转录组测序（snRNA-seq）、NGS-based空间转录组、smFISH（单分子荧光原位杂交）
● 研究背景：脑黑质致密部（SNpc）的多巴胺（DA）神经元的变性是帕金森病（PD）和路易体痴呆（LBD）的病理标志。然而，一些SNpc神经元甚至存活到这些疾病的晚期，表明他们因变性而损坏的程度存在差异。由于SNpc中存在容易退化和不易退化的易损性不同的DA神经元，本文的目的是研究DA神经元特别是易损神经元的分子特征，以及导致其死亡的分子生物学过程。
● 研究思路：
● 主要结论：本研究作者开发了一套流程来富集和捕获PD患者和匹配的对照人群中DA神经元的转录谱，通过snRNA-seq，作者共捕获到387,483个细胞核，并鉴定到10个细胞亚群。随后作者使用NGS-based空间转录组技术确定DA神经元在食蟹猴间脑冠状截面的空间位置。其中一个细胞亚群（表达AGTR1基因）在空间上位于SNpc的腹侧区，在PD中非常容易丢失，并且TP53和NR2F2在该细胞群中高表达，表明其参与神经元退化的分子过程。这个高度易损失的细胞群还特异性富集与PD相关的遗传风险基因，强调了PD相关不同DA神经元退化程度差异存在重要的细胞内在过程。
2、基于成像方法的空间转录组技术
● 文章标题：人类胚胎大脑中的神经元起源和分子多样性
● 发表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 发表时间：2021-11
● 样本类型：不同发育时期的人胎儿大脑皮层新鲜OCT包埋冰冻组织切片（n=4）
● 技术组合：单细胞转录组测序（scRNA-seq）、RNA ISS
● 研究背景：哺乳动物大脑的中间神经元来自于皮层下区域，通过径向迁移到达大脑皮层。人类胚胎大脑的皮层下区域由内侧、外侧和尾侧神经节隆起（MGE、LGE和CGE）组成。为了探究大脑中间神经元的起源和细胞多样性，研究人员利用单细胞转录组测序及新型RNA原位测序技术，系统地揭示了人类胚胎大脑不同发育阶段，中间神经元的起源和特异分子标记。
● 研究思路：
● 主要结论：本研究作者通过scRNA-seq和RNA ISS技术展示了不同亚型的中间神经元前体细胞及其分子特征。研究结果揭示，人类胚胎大脑中间神经元的多样性由精确的基因表达组合调控而成。成年大脑的中间神经元的细胞命运，早在胚胎期就已经被决定了。由于焦虑症、抑郁症、自闭症和精神分裂症与中间神经元异常发育密切相关，这项研究为人们进一步探寻精神类疾病的发病机理，提供了新思路。
3、空间转录组联合原位技术
● 文章标题：空间转录组学和原位测序被应用于研究阿尔茨海默症
● 发表期刊：Cell（IF=64.5）
● 发表时间：2020-08
● 样本类型：阿尔兹海默症脑组织，小鼠冠状面（n=4）和人额上回（n=6）冰冻切片
● 技术组合：scRNA-seq、NGS-based空间转录组、RNA ISS、smFISH和IHC
● 研究背景：阿尔茨海默症（AD）是发生于老年和老年前期的神经系统疾病，主要表现为记忆障碍、失语、失用、失认、视空间能力损害、抽象思维和计算能力损害、人格和行为改变等。目前阿尔茨海默病研究的一个核心问题是淀粉样斑块与神经退行性过程的关系，尽管在AD的淀粉样斑块周围观察到复杂的炎症样变化，但对其特征的分子变化和细胞相互作用了解较少。
● 研究思路：
总结
综上所述，不同原理的空间转录组技术均可在神经科学的研究中发挥着重要的作用。此外，在其它领域（如组织建立空间图谱、探究组织器官发育过程、探索疾病因素及疾病发展过程等方面）同样具有丰富的应用价值。随着技术的不断发展，空间转录组技术不仅仅局限于二维空间，更可以通过连续切片构建3D图谱。由于其更易临床诊断相结合的特点，我们期待其未来在更多的研究领域中发挥重要的功能与作用。
参考文献
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.
空间转录组技术将基因表达锚定在空间分布上，可以研究大脑结构-功能的关系、发育过程中大脑皮层的特征，也可以发现退行性神经疾病等领域的重要信息，这些信息可以与各种生理特征相结合以辅助我们进行深入探索。
空间转录组技术应用于神经科学研究
根据获取空间信息的原理，目前可将商业化程度较高的空间转录组技术可以分为以下两类：
1、基于成像的方法：如，RNA原位测序技术（RNA ISS）。采用与靶标基因互补的寡核苷酸探针进行原位杂交，通过对探针的滚环扩增，增加荧光探针可杂交的位点并放大信号，实现空间水平的基因检出。该方法靶向性强，可达到亚细胞、单碱基分辨率，更适合复杂、微小的结构，以及对微环境精细化解析。
2、基于测序的方法：通过结合空间条形码构建RNA测序文库，利用NGS技术恢复转录本空间位置的技术。该方法可无偏倚捕获组织中所有转录本的信息，更适合大数据的筛选与挖掘。
两种基于不同原理获取空间信息的空间转录组技术
经典案例
1、基于测序方法的空间转录组技术
● 文章标题：基于单细胞核测序和空间组学研究帕金森病中的疾病易损神经元
● 发表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 发表时间：2022-05
● 样本类型：健康人中脑和背侧纹状体（尾状核）组织（n=8）、食蟹猴间脑冠状截面（n=27）
● 技术组合：单细胞核转录组测序（snRNA-seq）、NGS-based空间转录组、smFISH（单分子荧光原位杂交）
● 研究背景：脑黑质致密部（SNpc）的多巴胺（DA）神经元的变性是帕金森病（PD）和路易体痴呆（LBD）的病理标志。然而，一些SNpc神经元甚至存活到这些疾病的晚期，表明他们因变性而损坏的程度存在差异。由于SNpc中存在容易退化和不易退化的易损性不同的DA神经元，本文的目的是研究DA神经元特别是易损神经元的分子特征，以及导致其死亡的分子生物学过程。
● 研究思路：
● 主要结论：本研究作者开发了一套流程来富集和捕获PD患者和匹配的对照人群中DA神经元的转录谱，通过snRNA-seq，作者共捕获到387,483个细胞核，并鉴定到10个细胞亚群。随后作者使用NGS-based空间转录组技术确定DA神经元在食蟹猴间脑冠状截面的空间位置。其中一个细胞亚群（表达AGTR1基因）在空间上位于SNpc的腹侧区，在PD中非常容易丢失，并且TP53和NR2F2在该细胞群中高表达，表明其参与神经元退化的分子过程。这个高度易损失的细胞群还特异性富集与PD相关的遗传风险基因，强调了PD相关不同DA神经元退化程度差异存在重要的细胞内在过程。
DA亚型在非人灵长类和人中脑的空间定位
2、基于成像方法的空间转录组技术
● 文章标题：人类胚胎大脑中的神经元起源和分子多样性
● 发表期刊：Nature Neuroscience（IF=24.9）
● 发表时间：2021-11
● 样本类型：不同发育时期的人胎儿大脑皮层新鲜OCT包埋冰冻组织切片（n=4）
● 技术组合：单细胞转录组测序（scRNA-seq）、RNA ISS
● 研究背景：哺乳动物大脑的中间神经元来自于皮层下区域，通过径向迁移到达大脑皮层。人类胚胎大脑的皮层下区域由内侧、外侧和尾侧神经节隆起（MGE、LGE和CGE）组成。为了探究大脑中间神经元的起源和细胞多样性，研究人员利用单细胞转录组测序及新型RNA原位测序技术，系统地揭示了人类胚胎大脑不同发育阶段，中间神经元的起源和特异分子标记。
● 研究思路：
● 主要结论：本研究作者通过scRNA-seq和RNA ISS技术展示了不同亚型的中间神经元前体细胞及其分子特征。研究结果揭示，人类胚胎大脑中间神经元的多样性由精确的基因表达组合调控而成。成年大脑的中间神经元的细胞命运，早在胚胎期就已经被决定了。由于焦虑症、抑郁症、自闭症和精神分裂症与中间神经元异常发育密切相关，这项研究为人们进一步探寻精神类疾病的发病机理，提供了新思路。
3、空间转录组联合原位技术
● 文章标题：空间转录组学和原位测序被应用于研究阿尔茨海默症
● 发表期刊：Cell（IF=64.5）
● 发表时间：2020-08
● 样本类型：阿尔兹海默症脑组织，小鼠冠状面（n=4）和人额上回（n=6）冰冻切片
● 技术组合：scRNA-seq、NGS-based空间转录组、RNA ISS、smFISH和IHC
● 研究背景：阿尔茨海默症（AD）是发生于老年和老年前期的神经系统疾病，主要表现为记忆障碍、失语、失用、失认、视空间能力损害、抽象思维和计算能力损害、人格和行为改变等。目前阿尔茨海默病研究的一个核心问题是淀粉样斑块与神经退行性过程的关系，尽管在AD的淀粉样斑块周围观察到复杂的炎症样变化，但对其特征的分子变化和细胞相互作用了解较少。
● 研究思路：
● 主要结论：本研究作者通过使用NGS-based空间转录组和RNA ISS技术来分析由淀粉样斑块在数百个小组织域中引起的转录组改变，通过这种方式，收集了在小鼠和人类大脑中生成大量的数据集，提出淀粉样斑块并非与阿尔兹海默症疾病毫无关联，实际上其诱导了周围细胞的强烈和协调的反应。因此，我们不该就此无视淀粉样蛋白沉积，简单认为它只是疾病的产物。相反，淀粉样斑块可能是阿尔茨海默病的诱因或驱动因素。
RNA ISS识别斑块诱导基因的表达特征
总结
综上所述，不同原理的空间转录组技术均可在神经科学的研究中发挥着重要的作用。此外，在其它领域（如组织建立空间图谱、探究组织器官发育过程、探索疾病因素及疾病发展过程等方面）同样具有丰富的应用价值。随着技术的不断发展，空间转录组技术不仅仅局限于二维空间，更可以通过连续切片构建3D图谱。由于其更易临床诊断相结合的特点，我们期待其未来在更多的研究领域中发挥重要的功能与作用。
参考文献
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.
相关文章
更多 >