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【空間轉錄組】第二彈之一文帶你了解空間轉錄組研究思路和應用領域

時間:2020-04-14    |    閱讀量:1024

上一期,我們介紹了空間轉錄組測序的原理和實驗流程,特別是在樣本準備過程中需要注意的地方,(【空間轉錄組】第一彈之原理與樣本制備,你都了解了嗎?)今天,小編就結合具體文章案例來分享一些目前空間轉錄組的分析思路。

 首先來給大家分享一篇18年6月份發表在《Nature Communication》上的文章,該研究通過利用空間轉錄組(ST)測序,分析表征空間差異基因和途徑。


一、

 

發表時間:2018.06

發表期刊:Nature Communication

影響因子:11.878

研究方向:腫瘤-前列腺癌

研究策略

將患者根治性切除后的前列腺癌組織根據病理學注釋做了12張組織切片(具體位置如上圖所示),共分析了5910個區域,并利用反卷積方法分析轉錄組數據。

研究結果展示:

研究人員利用用空間轉錄組學(ST)技術研究整個多灶性前列腺癌的全組織基因表達異質性。并通過去卷積分析轉錄組提取不同組織成分(如基質,正常腺和PIN腺,免疫細胞和癌癥)的獨特表達譜。
通過區分健康和疾病區域,分析前列腺癌進展過程中的基因表達變化。該研究與病理學家的注釋相比,更準確地描繪了癌灶的范圍。
在鄰近腫瘤區域的基質中鑒定基因表達梯度,使腫瘤微環境重新分層。



空間轉錄組在特定組織區域的代謝水平角度為腫瘤特異性預測和藥物治療靶標的探究提供一種新的思路。同時隨著技術的日益發展,單純的空間轉錄組測序對差異基因及通路分析很難獲得更多的數據信息。而空間轉錄組聯合單細胞轉錄組測序,可以更好的挖掘數據的生物學信息,獲得更多的創新性結果。

接下來,我們再來看幾篇文章,其通過空間轉錄組聯合單細胞轉錄組測序分析,描繪了正常組織或腫瘤組織時空基因表達模式布和細胞組成的空間定位。

 


二、

 

發表時間2020.01

發表期刊:Nature cell biology

影響因子:17.428

研究方向:骨髓造血微環境

研究策略

 

研究者通過單細胞轉錄組測序結合空間轉錄組技術LCM-seq(一種改進的激光捕獲顯微解剖結合測序),并利用免疫熒光染色實驗驗證測序分析結果,系統地繪制了小鼠不同骨髓造血微環境的分子、細胞和空間組成。

樣本組織:8到12周C56Bl/6J雌性小鼠的股骨,脛骨,髖和脊椎骨

ScRNA-Seq: 使用FACS分選細胞,利用10X genomics測序平臺進行單細胞轉錄組測序,得到7497個細胞進行分析

空間轉錄組(LCM-Seq)對骨內膜(n=12),骨膜下(n=11),竇(n=14)和小動脈(n=28),非血管(n=11)共76個微解剖區域進行分析。

研究結果:

該研究分析了所有主要的骨髓駐留細胞類型確定了間充質細胞的分化軌跡,對其進行空間定位并闡明了促造血因子的來源,并且還提出了一種可以確定多種組織中細胞三維架構的新計算方法,這些都為白血病的分子機制探討和靶向治療奠定了基礎。

(烈冰生物已經詳細解讀過這篇文章,感興趣的小伙伴可以戳這里單細胞轉錄組聯合空間轉錄組學||揭示骨髓造血微環境的分子,細胞和空間組織構架



三、

 

發表時間2020.01(2018.01 BioRxiv)

發表期刊:Nature Biotechnology

影響因子:31.864

研究方向:PDAC腫瘤異質性

研究策略

 

研究者分別對PDAC患者的腫瘤組織進行scRNA-Seq和空間轉錄組測序分析,并通過引入一種新方法多模式相交分析(MIA)將PDAC-A和PDAC-B患者數據整合進行聯合分析空間區域的細胞組成和基因表達情況。

ScRNA-Seq:3個PDAC患者的腫瘤組織;(PDAC-A:1926 cell,PDAC-B:1733 cell,PDAC-C:2000 cell)

空間轉錄組ST6個PDAC患者的10張切片:PDAC-A(3張)、PDAC-B(3張)、PDAC-D(1張)、PDAC-E(1張)、PDAC-F(1張)、PDAC-G(1張)

對PDAC-A患者和PDAC-B患者同時做了scRNA-Seq和空間轉錄組測序。每塊4-5mm3大小的新鮮PDAC組織中切割取出1毫米厚的組織,以制備單細胞懸液。同時,將切割的另一表面朝下放入裝有預冷OCT的模具中,再經過冷卻的異戊烷速凍。將冷凍組織切成10 μm厚度的冷凍切片,安裝在ST陣列上,并在-80°C下保存直至使用。

研究結果:

引入了MIA算法進行空間和單細胞的整合,將scRNA-Seq結果進行空間定位,并發現亞群的差異化定位使它們在組織中發揮獨特的作用。
描繪了在空間背景下腫瘤微環境特點,免疫環境狀態,應激水平以及細胞之間相互作用的模式,從而有助于預判患者預后。
利用MIA方法對公共數據庫中的數據集進行再分析發現MIA能夠反映細胞亞群與空間結構的連接關系。


四、

  

發表時間2019.12

發表期刊:Cell

影響因子:36.216

研究方向:人胚胎心臟發育

研究策略

 

對妊娠4.5-5、6.5和9個孕后周(PCW)人類心臟進行空間轉錄組測序(ST)、單細胞轉錄組測序(scRNA-seq)和原位測序(ISS),并通過整合空間信息來生成三維轉錄圖譜。

ScRNA-Seq: 6.5-7PCW的人胚胎心臟組織(3,717個細胞)(6.5-7PCW胚胎心臟組織視為6.5PCW胚胎心臟組織的生物學重復)

空間轉錄組ST:取4.5-5PCW(4張)、6.5PCW(9張)、9PCW(6張)三個時期的人胚胎心臟,共19張冷凍組織切片。對同一心臟組織連續切片時注意連續的部分非常相似,但不完全相同。

研究結果:

概述了人類心臟發育的時空基因表達模式和空間組織
深入分析了不同細胞類型在心臟發育中的作用
整合了人類胚胎心臟的公共網絡資源


         空間轉錄組測序與單細胞轉錄組測序聯合分析,可以有效地提高測序數據的利用率,不再單單從基因層面理解組織的空間差異性,而是在空間背景下從基因、分泌蛋白、細胞組成以及細胞之間的相互作用等方面深入理解組織的發育過程或疾病病理學。

         單細胞轉錄組測序的分析結果極大地豐富了組織基因表達的空間注釋,并可以將細胞類型特異性基因表達映射到特定的空間解剖區域,更好地助力探究空間中細胞的差異化定位在組織發育或疾病進展中發揮的獨特作用。


除上述分享給大家的文章外,空間轉錄組測序在小膠質細胞的再生促進大腦修復[5]、肌萎縮性側索硬化癥分子病理學時空動態研究[6]、 皮膚惡性黑色素瘤異質性[7]、模式植物花序、芽等器官發育[8]等研究中也有所發現。


              













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