知无不“研”，五分钟带你了解空间分辨转录组学的前世今生

基因合成的业务吗，报价是多少“空间”一词源自拉丁语 spatium，意为“空间”，可用于描述对象在相对位置方面如何相互关联。许多生物系统的功能，如胚胎、肝小叶、肠绒毛和肿瘤，都取决于它们细胞的空间组织。只有在知道它们的物理位置后，我们才能完全理解多细胞生物中单个细胞的分子特性。在过去的几十年中，随着人们对空间组织的重要性和获得分子特性精确位置认知的提高，极大地推动了空间分辨转录组学的技术进步，并开发了多种技术。按照时间轴排列如图1所示。

 

图1 空间分辨转录组学各项技术的简要历史时间表

 

每种技术根据它们所基于的基本方法不同可分为五个子类别（在图1中已用不同颜色的原点进行分类）：① 基于显微基因表达的技术，② 原位杂交 (ISH) 技术，③ 原位测序 (ISS) 技术，④ 原位捕获技术，⑤空间数据的计算机重建。而每个子类别中又包含了多种空间分辨转录组学技术，总结归纳后如表1-4所示。

 

表1基于显微基因表达的各项技术名称、概念及示意图

 

表2 基于原位杂交 (ISH)的各项技术的名称、概念及示意图

 

表3 基于原位测序 (ISS) 的各项技术的名称、概念及示意图

 

表4 基于原位捕获的各项技术的名称、概念及示意图

 

除了前面描述的实验方法外，还有构建空间分辨基因表达数据集的计算方法，也就是子类别中的第五个——空间数据的计算机重建。这些技术从分离的单个细胞开始，旨在根据基因表达谱通过计算将它们分配到空间位置。细胞到空间位置的映射可以基于参考图（其中一组信息基因签名用于指导细胞的适当放置）来实现，或者可以根据关于跨细胞表达特征的假设从头开始寻找物理空间。

 

空间背景对推断更深层次的生物学意义的重要性是毋庸置疑的，但技术掣肘在历史上限制了各种应用的广泛采用，例如敏感性、劳动力广泛性、组织类型依赖性以及获取详细单细胞信息的能力有限等。下表从样本类型、空间类型、有效率、优缺点的角度将各种技术进行了对比，以供大家按需选择（表5）。

 

表5 空间分辨转录组学技术之间的比较

 

虽然先前大部分的技术正在被迅速弃用，但它们背后的思想和方法是当代空间转录组学的基础。为了追求更为广泛采用的技术，已经从学术界衍生出一些商业努力。10X Genomics收购了Spatial（更名为Visium）、ReadCoor和Cartana。ReadCoor的核心技术是荧光原位测序技术FISSEQ。Cartana的核心技术为锁式探针（Padlock），进行滚环扩增后测序，达到了亚细胞水平。NanoString在2019年推出自动化仪器GeoMx，捕获基因数量已超过22000，之后又发布GeoMx Digital Spatial Profiler，达到了单细胞的分辨率。另外，华大基因（BGI）在2013年收购了专注于人类全基因组精准测序的Complete Genomics，将细胞或组织嵌入芯片，产生高分辨率的空间解析数据。尽管如此，目前空间转录组方案仍然是定制的，只能在少数实验室中使用，且费用高昂。因此，探寻一种更为广泛采用的新技术是非常迫切且有必要的。