利用一種新的工具來繪制豐富的細(xì)胞和組織功能圖譜

在一項(xiàng)新的研究中，來自美國布羅德研究所的研究人員開發(fā)出的一種新的技術(shù)讓人們對組織中的細(xì)胞組成（cellular organization）有了前所未有的了解。這種稱為Slide-seq的方法利用基因測序來繪制詳細(xì)的三維組織圖譜，不僅揭示出組織中存在哪些細(xì)胞類型，而且還揭示出它們所處的位置和它們正在做什么。Slide-seq方法是在布羅德研究所研究員Evan Macosko和Fei Chen的實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)出來的。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年3月29日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Slide-seq: A scalable technology for measuring genome-wide expression at high spatial resolution”。

鑒于這種技術(shù)并不需要專門的成像設(shè)備，因此它可被生物學(xué)、遺傳學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域的科學(xué)家使用，這是因?yàn)樗麄兿胍芯拷M織中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，或者觀察特定基因在組織、器官和甚至整個有機(jī)體中有活性時所處的位置。這樣的平臺讓人們對組織中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、基因在不同組織所起的作用以及損傷或其他擾動對組織的影響有了前所未有的了解，從而為科學(xué)家們提供了前所未有的豐富的組織功能圖譜。

在19世紀(jì)，神經(jīng)生物學(xué)Santiago Ramóny Cajal用他繪制的詳細(xì)人體組織圖激發(fā)了科學(xué)界的興趣，并證實(shí)大腦是由單個細(xì)胞組成的。20世紀(jì)中期，抗體的產(chǎn)生允許科學(xué)家在細(xì)胞和組織中一次性研究幾種蛋白。近年來，RNA測序使得人們能夠鑒定出組織中存在哪些細(xì)胞類型以及哪些基因在基因組中被激活，但是不能精確地確定這些細(xì)胞所在的位置。

Slide-seq可被看作是這種技術(shù)發(fā)展的最新進(jìn)展

這種技術(shù)始于一種涂有橡膠涂層的載玻片或者說“冰球（puck）”，這種載玻片填滿了微粒或者說“珠子（bead）”，而珠子上面覆蓋著獨(dú)特的DNA條形碼。這些研究人員對每個條形碼進(jìn)行測序，所產(chǎn)生的測序數(shù)據(jù)隨后允許用戶確定測序片段（sequencing read）在珠子陣列上的起源位置。

論文共同**作者、Macosko實(shí)驗(yàn)室研究生Robert Stickels說，“這就像一種細(xì)胞形式的GPS（全球定位系統(tǒng)）。當(dāng)我們開發(fā)出這種技術(shù)時，我們想要我們的合作者能夠輕松使用它。我們預(yù)先完成所有的成像和陣列生成工作，并將這些陣列提供給終端用戶，這樣他們就不需具備顯微鏡專業(yè)知識。”

在使用布羅德研究所提供的陣列開展的幾個小時的研究中，這些研究人員能夠?qū)⑿迈r冷凍組織切片轉(zhuǎn)移到珠子表面上，并進(jìn)行組織溶解，從而讓mRNA轉(zhuǎn)錄物與覆蓋著DNA條形碼的珠子結(jié)合。隨后在商業(yè)儀器上對條形碼RNA文庫進(jìn)行測序。由這些研究人員開發(fā)并提供給終端用戶的軟件為每個測序片段分配位置，對這些位置進(jìn)行繪制就可產(chǎn)生高分辨率的細(xì)胞類型或基因表達(dá)圖譜，所提供的信息要比標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡圖像更加豐富。

為了展示這種工具的功能，這些研究人員利用Slide-seq在小鼠大腦中確定細(xì)胞類型在小腦和海馬體內(nèi)的位置。通過將Slide-seq應(yīng)用于小鼠小腦切片，他們揭示了整個組織中大量的基因活性變化，這些變化可表明空間確定的利用傳統(tǒng)的單細(xì)胞測序無法區(qū)分的細(xì)胞亞群。

這些研究人員還發(fā)現(xiàn)Slide-seq可用于測試擾動的影響，并用它來監(jiān)測創(chuàng)傷性腦損傷小鼠模型中特定細(xì)胞類型的反應(yīng)。通過過濾這些數(shù)據(jù)來顯示單個基因的表達(dá)，他們發(fā)現(xiàn)即使在損傷發(fā)生很久之后，神經(jīng)元中的一些基因也會因?yàn)榕c損傷位點(diǎn)的接近程度而被激活。

這些研究人員還證實(shí)將一系列組織切片堆疊起來，就可通過產(chǎn)生小鼠海馬體的動畫三維重建來揭示三維組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞功能，這種三維重建經(jīng)定制后可顯示不同的細(xì)胞類型或單個基因的表達(dá)。

論文共同**作者、Chen實(shí)驗(yàn)室研究員Samuel Rodriques說，“單細(xì)胞RNA測序真地適合揭示哪些類型的細(xì)胞存在于樣品中。但是，Slide-seq是一種全新的工具，它通過告訴我們細(xì)胞在組織中的位置來增加一個完全不同的維度。我們很高興能夠與許多領(lǐng)域的合作者一起來解答一些新的科學(xué)問題。”