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(guó)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(duì)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(cè)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(gè)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(gè)有機(jī)體中有活性時(shí)所處的位置。這樣的平臺(tái)讓人們對(duì)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(dòng)對(duì)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(gè)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(cè)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(duì)每個(gè)條形碼進(jìn)行測(cè)序，所產(chǎn)生的測(cè)序數(shù)據(jù)隨后允許用戶確定測(cè)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(shí)，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(shí)。”

在使用布羅德研究所提供的陣列開展的幾個(gè)小時(shí)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(duì)條形碼RNA文庫進(jìn)行測(cè)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(gè)測(cè)序片段分配位置，對(duì)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(gè)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(cè)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(cè)試擾動(dòng)的影響，并用它來監(jiān)測(cè)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(gè)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(huì)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(dòng)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(gè)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(cè)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(gè)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。”