中科院学者Nature Protocols:空间转录组测序新技术



生物通报道:在真核细胞中,转录组的空间组织已经成为调节RNA转录后命运的一种有力手段,但是一般研究采用的是原位杂交或者原位的荧光染色,这项技术操作困难且通量低。近期来自中科院生物化学与细胞生物学研究所细胞生物学国家重点实验室等处的研究人员作建立了一种可以获得具有空间位置信息的少量细胞转录组图谱的技术方法:Geo-seq,这种方法不仅能解析少量细胞转录组信息,而且还能保留细胞原有位置信息。

这一研究成果公布在2月16日的Nature Protocols杂志上,Nature Protocols杂志虽然影响因子不是特别高,但是作为描述详细的实验步骤及注意事项的技术手册,近年来越来越受到广泛的关注。

文章的通讯作者分别为细胞生物学国家重点实验室景乃禾研究员与彭广敦副研究员,第一作者为陈军博士。去年景乃禾研究员与中科院-马普学会计算生物学伙伴研究所韩敬东研究组合作,结合了激光显微切割以及单细胞测序等先进技术,绘制了小鼠早期发育原肠运动中期精细的胚胎三维分子图谱,并揭示了小鼠细胞谱系蓝图建立过程中的空间转录组特征、转录因子和信号通路调控网络。

无论是体内组织还是体外细胞系,不同细胞之间都存在着差异性,即细胞的异质性。细胞的异质性对解释肿瘤的发生、干细胞或前体细胞的多能性与谱系分化、干细胞与微环境的相互作用等具有重要的意义。近些年,单细胞测序技术迅速发展,使得研究细胞之间的异质性成为可能。然而,目前单细胞测序的方法均会丢失细胞在体内原有的位置信息,而对某些研究领域如发育生物学、肿瘤生物学而言,细胞来源的位置信息是十分关键的。

在最新这项研究中,研究人员通过整合与优化单细胞测序和激光显微切割技术,构建了一种能够获得、同时保留细胞原有位置信息的测序方法:Geo-seq。Geo-seq是一种高效、高分辨率的空间转录组分析方案,既可用于转录图谱的三维重建,也可以用于研究具有特殊结构的少量组织或细胞的转录组信息。

利用Geo-seq技术,这一课题组绘制了小鼠早期胚胎原肠运动中期精细的三维分子图谱,并揭示了小鼠细胞谱系蓝图建立过程中的空间转录组特征、转录因子和信号通路调控网络,这也就是上文提到的内容。研究人员由此构建了整个原肠运动中期高质量的全胚胎基因表达三维分子图谱,使得小鼠这一时期两万多个基因的表达能够以电子原位杂交的形式得到完全的呈现。更重要的是,该项工作还鉴定了一组能够代表E7.0时期发育状态和特异空间结构域的标志基因,这些基因具有类似“邮政编码”(zip code)的标记功能,可以将外源的多能干细胞或者胚胎组织细胞“投递”到体内胚胎的特定位置,从而将未知来源的干细胞定位于体内胚胎的相应部位。

此外,目前Geo-seq技术也已成功应用于小鼠大脑发育、肝脏肿瘤学以及人的精子发育等研究中。

除了真核生物,去年庄小威研究组也曾通过超高分辨率显微镜来影像大肠杆菌转录组,并观察到了RNA的全基因组空间组织。他们开发出一种方法,可影像细菌中大量已定义的mRNAs。

研究人员发现细菌产生的所有mRNA中,有相当一部分将自己定位在细胞内的特定位置。例如,一些停留在细胞内膜的蛋白质的编码mRNAs,也较多地存在于这层膜上。这种定位也在这些mRNAs的生命中起着重要的作用,因为它们比在细胞其他位置更快的被降解。这种增强的降解率,部分原因是因为分解mRNA分子的酶,也存在于膜上。著名学者庄小威eLife发表新成果

作者简介:

景乃禾

1978-1982年,南京大学化学系,获理学学士学位。1982-1988年,中科院上海生物化学研究所研究生,获理学博士学位。1989-1991年,日本理化学研究所博士后研究。1992-1993年,以访问学者身份赴日本理化学研究所进行合作研究。1995年,以访问学者身份在法国Strasbourg的遗传与分子细胞生物学研究所(IGBMC)进行合作研究。1996-1997年,以访问学者身份在德国Geottingen之马普生物物理化学研究所进行合作研究。2000年,以访问教授身份赴日本熊本大学进行合作研究。2003年,以访问教授身份赴日本大阪大学进行合作研究。现任中国生物化学与分子生物学学会副理事长兼秘书长;中国细胞生物学学会理事;上海生物化学与分子生物学学会理事长;中国神经科学学会神经化学专业委员会主任委员。《生理学报》、《J. Mol. Cell Biol.》编委和《Neuroscience Bulletin》常务编委。

景乃禾研究员二十年来一直从事中枢神经系统发育的分子机制和多能干细胞神经定向诱导分化的调控机制研究。近年来,主要从事中枢神经系统发育的分子机制和多能干细胞神经定向诱导分化的调控机制研究。大脑是生物体内最复杂的器官之一,而这一复杂系统是由胚胎发育早期的神经干细胞发育分化而来的。因此,研究神经干细胞发生和神经元发育分化的分子机制,将有助于加深人们对大脑是如何形成的这一问题的认识。同时,在分子水平上研究脑重要功能相关基因,将有助于加深人们对大脑是如何工作的这一问题的认识。目前主要从事以胚胎干细胞(ES)和多潜能P19细胞的体外神经分化为模型,研究多潜能干细胞神经命运决定过程中FGF、BMP和WNT信号通路间的调控网络,以鸡胚神经发育为模型,研究在神经发生过程中神经元和胶质细胞命运决定的分子机制,小鼠巢蛋白基因表达调控的分子机制,脑功能及神经系统疾病相关基因的筛选、鉴定及功能研究的工作。

原文摘要:

Spatial transcriptomic analysis of cryosectioned tissue samples with Geo-seq




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