2022年10月《Nature Biotechnology》發(fā)表了一篇空間轉錄組（ST）技術的綜述文章，詳細描述了現(xiàn)有的ST技術及其發(fā)展方向给猾。
檢測生物分子的新技術一直是生物進步的關鍵驅動力眉尸。在檢測生物分子時儡毕，研究人員在選擇實驗方法時一直面臨著關鍵的權衡韵丑。一方面侯谁，“組學”工具可以對純化樣本中的許多生物分子進行廣泛而全面的檢測消略。另一方面堡称，一套靶向工具（如免疫染色或原位雜交），可以在完整的細胞和組織中定位特定分子（通常數(shù)量較少）艺演。因此却紧，研究項目通常將這兩個階段結合在一起：研究人員首先使用“組學技術”提出假設，然后進行有針對性的胎撤、假設驅動的工作晓殊，以描述特定基因或蛋白質在感興趣的完整組織中的作用。
最近ST技術的快速發(fā)展正在顛覆這種方法學上的歷史分歧伤提。這些工具能夠對完整組織切片中轉錄組的RNA進行量化巫俺。廣義而言，ST最適合回答三種生物問題：首先可以闡明組織的細胞類型組成肿男；第二類問題與細胞相互作用有關介汹；最后可以幫助闡明組織成分之間的分子相互作用。
ST技術
“基于測序的ST”（sST）
sST技術通常從構建空間索引表面開始舶沛，其中每個pixel都包含一個條形碼DNA引物缭贡，該引物在二維空間中唯一標記pixel的位置窍荧。然后將組織放在表面的頂部栖袋，通過RNA從組織擴散到表面或條形碼引物擴散到組織舒岸，使駐留的mRNA與引物接觸。通常，在其3′末端帶有poly（T）序列的引物用于捕獲轉錄組中的mRNA骤竹。常見的方法有10x Genomics Visium帝牡、Slide-seq、Stereo-seq 蒙揣、DBiT-seq等靶溜。
在sST中兩個最重要的質量參數(shù)是單位面積的mRNA捕獲靈敏度和mRNA檢測的空間精度。此外鸣奔，測序效率和該技術所覆蓋的空間區(qū)域也是描述和比較sST技術的附加參數(shù)墨技。
“基于成像的ST”（iST）
在iST中，RNA分子通過互補雜交用熒光探針進行特異性標記挎狸。然后使用熒光顯微鏡對這些探針進行成像扣汪。為了克服光譜限制，最近的iST方法通常使用多輪連續(xù)成像和組合策略來檢測轉錄本锨匆。因此崭别，特定的iST方法很大程度上取決于檢測方式、RNAs分子的標記方式和多路復用方法恐锣，或者通過連續(xù)成像輪檢測多個RNA轉錄物的方式茅主。這些方法主要是由三個領域的進展推動的：寡核苷酸合成、熒光顯微鏡和單細胞轉錄組學土榴。ST中使用了三種主要的原位標記RNA分子的策略：基于直接探針的檢測诀姚、基于酶輔助探針的檢測和原位RNA分子的直接酶測序。在圖像處理中使用三個主要步驟來生成主要ST數(shù)據：斑點檢測玷禽、圖像配準和解碼為空間mRNA定位赫段。常見的iST技術有smFISH、MERFISH矢赁、STARMap等糯笙。
在iST中兩個關鍵的數(shù)據質量參數(shù)是敏感性和特異性。鑒于特定技術的檢測撩银、多路復用和圖像處理的具體條件给涕，需要評估這些參數(shù)。
ST技術的預計開發(fā)方向
ST技術的高速進展預示著基因組學正在向完整細胞和組織研究的更廣泛技術轉變额获。支持ST（高通量DNA測序够庙、新型條形碼策略、新的顯微鏡工具和分子酶學創(chuàng)新）的工具將越來越多地允許基因組學用于回答細胞和組織生物學中的問題抄邀。預計技術開發(fā)將在三個主要領域進行：
適用于其他模式
現(xiàn)代基因組學通過酶和生化操作與DNA測序的創(chuàng)造性結合開發(fā)了一系列令人印象深刻的生物分子檢測技術首启。然而，大多數(shù)技術只能在從組織或細胞中提取和純化的基質上在體外使用撤摸。使基因組學技術在完整組織切片中發(fā)揮作用是生物學發(fā)現(xiàn)的巨大機會。預計ST技術在量化轉錄物方面取得的進展將越來越多地應用于其他形式的基因組檢測。例如准夷，iST最近被用于通過靶向內含子來量化新生mRNA钥飞，這種方法同樣可以通過靶向外顯子-外顯子連接來量化剪接變異。目前衫嵌，亞型變異的發(fā)現(xiàn)需要長讀長技術和/或基于平板的方法來評估读宙。未來長讀長流程或靶向亞型原位測序的適應應該能實現(xiàn)空間域的可擴展適應。
除了轉錄組楔绞，基因組變異的空間分析已經開始被探索结闸，但工具仍然相對落后。現(xiàn)有的技術主要是通過成像來測量基因組結構酒朵，但最近也報道了基于測序的策略桦锄。這些技術也可以用于研究表觀基因組的修飾和調控，其將在癌癥突變分析中應用蔫耽，基因組變異的空間分析可能有助于闡明體細胞突變與衰老和疾病的功能相關性结耀。
空間方法也可能提供一個機會來統(tǒng)一基因組學和蛋白質組學。盡管基因組學傳統(tǒng)上側重于分離檢測匙铡，但用親和試劑對蛋白質定位的查詢長期以來一直是在原位低多重性下進行的图甜。最近在親和試劑（如抗體）的DNA條形碼方面的發(fā)展，已經通過測序實現(xiàn)了高度多重化的蛋白質readouts鳖眼。這些方法很容易適應空間域黑毅，特別是在空間捕獲ST檢測的背景下。在不久的將來钦讳，整個蛋白質組親和文庫（包括抗體矿瘦、納米體和適配體）可以在原位使用和檢測。此外蜂厅，基于鄰近性的酶反應匪凡，如連接和聚合酶延伸，可以實現(xiàn)組織內高通量蛋白質-蛋白質掘猿、DNA-蛋白質和RNA-蛋白質相互作用的測量病游。最后，利用單分子成像的新型蛋白質測序方法在許多方法上都有了快速發(fā)展稠通；有一天衬衬，這可能會允許在組織中直接進行蛋白質測序。
提升分辨率
當前的空間基因組方法涵蓋了從組織區(qū)域到亞細胞定位的廣泛空間分辨率改橘，在組織的體積通量和收集的數(shù)據空間分辨率之間進行了總體權衡滋尉。不同的空間分辨率適用于不同類別的生物問題。對測量的轉錄物進行細胞分割的能力對于許多下游應用至關重要飞主，例如量化細胞類型和組織組成狮惜。在sST和iST中高诺，分割都是一個計算問題。對于sST碾篡，它涉及從一個pixel對細胞型混合物的去卷積虱而；當pixel大小減小到單個細胞的大小時，問題就簡單多了开泽。對于iST牡拇，計算任務是從顯微鏡圖像中將單獨檢測到的轉錄物組裝成細胞。這兩方面的努力都取得了進展穆律，但額外的計算創(chuàng)新將大大加快ST工具應用于組織生物學問題的能力惠呼。
在組織組成之后，提高分辨率將使組織組成能夠考慮到細胞間的相互作用峦耘。基本問題包括如何提取構成組織的相關細胞網絡剔蹋？而且，如何發(fā)現(xiàn)細胞之間的功能性受體-配體相互作用網絡贡歧？這些問題最適合具有細胞分辨率或更高分辨率的技術滩租，以便能夠將分子特征準確分配給相互作用的細胞網絡。
此外利朵，能夠實現(xiàn)生物分子精確原位共定位的技術（可能在超過衍射極限的分辨率下）仍然幾乎完全未被探索律想。一個有趣的例外是幾個小組提出使用具有局部連接的原位PCR擴增來檢測兩個核酸之間的空間接近度。從轉錄因子結合位點的定量到生物分子共定位到特定的細胞器隔室或間隙連接或其他細胞-細胞相互作用的定量绍弟，原位分子共定位的方法將在生物學上具有極大的可行性技即。
細胞動力學的觀察
空間基因組技術和合成基因操作方法在分子記錄方面的交叉尤其有前景。最近樟遣，已經描述了許多基于基因編輯的分子記錄技術而叼，這些技術將譜系和信號動力學編碼到基因組序列中。這些方法利用單細胞測序來讀取基因組信息豹悬。鑒于單細胞和sST 之間化學性質的內在相似性葵陵，譜系的基因組記錄可以很容易地轉化為組織環(huán)境。這種測量對于發(fā)育生物學很重要瞻佛，其中有關細胞譜系脱篙、細胞狀態(tài)和成人組織組成的信息可以同時組合以形成發(fā)育圖譜。在腫瘤進化中伤柄，這些方法可以回答有關腫瘤克隆的空間異質性以及腫瘤克隆適應度與細胞微環(huán)境之間關系的重要問題绊困。除了譜系之外，新的記錄技術開始對細胞歷史和轉錄組狀態(tài)進行編碼适刀，這可能為使用基因組學對細胞狀態(tài)進行全四維測量提供了希望秤朗。
關于動力學的計算推斷，最近用于單細胞研究的計算工具數(shù)量激增笔喉，例如偽時間和RNA速度取视。針對單個細胞開發(fā)的方法已成功應用于ST數(shù)據硝皂，例如將RNA速度應用于發(fā)育中的小鼠皮層ST。然而贫途，未來面向空間的計算動力學工具箱的開發(fā)將更直接地利用ST數(shù)據的獨特方面吧彪。人們可以利用RNA的亞細胞定位來推斷有關動力學的額外時間信息。更重要的是丢早，空間信息可以在偽時間分析中提供背景事實，例如使用細胞定位來分配細胞軌跡中的節(jié)點秧倾。
最后怨酝，擾動允許從點測量中推斷因果關系。最近的方法使核酸條形碼能夠對單細胞readouts的遺傳和化學擾動進行編碼那先。與分子記錄類似农猬，擾動條形碼方法可能與空間捕獲方法固有地兼容。此外售淡，通過原位測序讀取條形碼已被證明可用于成像方法斤葱。使用 ST 分析原位遺傳擾動的影響將能夠分析在沒有組織背景的情況下無法訪問的表型。這些表型很多揖闸，包括細胞定位和細胞-細胞相互作用揍堕。
由于篇幅有限，更多技術細節(jié)可參考文獻原文：
https://doi.org/10.1038/s41587-022-01448-2
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首發(fā)公號國家基因庫大數(shù)據平臺
參考文獻
Tian, L., Chen, F. & Macosko, E.Z. The expanding vistas of spatial transcriptomics.?Nat Biotechnol?(2022). https://doi.org/10.1038/s41587-022-01448-2
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