单细胞&空间转录组测序——转录组研究的最佳拍档

2018年单细胞测序技术被Science评为年度突破技术之后，2020年空间转录组学也被Nature Methods评为“年度技术方法”。转录组研究技术已不仅局限于传统的Bulk RNA-seq。单细胞转录组测序（scRNA-seq）和空间转录组测序（spatial transcriptomics）这两种强大的技术，在解析细胞异质性和组织结构方面具有独特优势，在各领域研究中得到不少青睐。

单细胞转录组测序

单细胞转录组测序（single cell RNA sequencing，scRNA-seq）是在单个细胞水平对mRNA进行高通量测序的一项新技术，原理是将分离的单个细胞中微量的mRNA通过高效扩增后再进行高通量测序。单细胞测序应用领域包括发育生物学、肿瘤学、神经科学、免疫学、疾病机理研究、细胞图谱构建等。

为什么要检测单细胞转录组？

细胞不是独立存在的，而是相互配合完成工作的。但“世界上没有两片完全相同的树叶”，每个细胞也是独特的，在各自工作岗位发挥不同的功能。

利用传统转录组测序（Bulk RNA-seq）通常需要研磨和提取生物体、组织或细胞群体中的混合总RNA进行测序，最终得到的是一群不同的细胞的平均转录组数据。因此传统的Bulk RNA-seq忽略了细胞之间的差异，完全掩盖了细胞的异质性。事实上，Bulk RNA-seq通常描述一种推断状态，而可能没有（或很少）细胞真正处于这种状态。

单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术能揭示单个细胞内RNA转录物的异质性和复杂性，以及揭示高度组织化组织、器官、生物体中不同细胞类型和功能的组成，该技术极大地革新了转录组学的研究。

图1 scRNA-seq与Bulk RNA-seq对比[1]

单细胞转录组测序技术优势

① 揭示细胞异质性，高分辨率分析：有利于发现细胞亚群和罕见细胞类型，提供细胞功能和状态的详细信息；② 动态过程研究：适用于研究细胞分化、增殖和肿瘤发生等动态过程中的基因表达变化；③ 无偏倚的细胞分群：能够更精准地对细胞进行分群，尤其是在免疫学、肿瘤学和遗传学研究中。

怎么实现单细胞转录组测序？

与传统Bulk RNA-seq相比，scRNA-seq操作流程最大的区别在于需要分离单个细胞。典型的scRNA-seq流程包括几个步骤：样品采集、单细胞分离、裂解、逆转录、cDNA扩增、文库构建、测序和数据分析。目前主流的scRNA-seq技术平台如下：① 利用微流控芯片和油水不相容原理分离单细胞的微流控法平台，如10x Genomics、MobiNova（墨卓）、DNBelab C4（华大）等。② 利用重力使细胞落入微孔中分离单细胞的微孔板法平台，如BD Rhapsody等。

空间转录组测序

空间转录组测序可对细胞内的全转录组表达进行检测，同时保留细胞在组织中的空间位置信息，可更好地挖掘空间异质性，应用领域包括空间稀有细胞类型、生长发育、疾病发病机制、肿瘤微环境等。

为什么要检测空间转录组？

单细胞测序样本细胞被打散，在组织解离以及通过微流控体系时，细胞损失比较大，且信息容易失真，此外，单细胞测序中会丢失细胞的空间位置。空间转录组学在一定程度补充了单细胞转录组缺失的空间位置信息。技术优势

① 保留空间信息：在组织切片中保留mRNA的空间位置，揭示细胞间的相互作用和组织结构，适合研究具有明确形态特征的组织，如大脑、胚胎和嗅球等；② 全面转录组分析：在细胞水平上解析mRNA表达的全面视图，有助于理解复杂组织的细胞活性。在肿瘤学研究中，能够揭示肿瘤区域的基因表达梯度和微环境的异质性。

怎么实现空间转录组测序？

目前，空间转录组研究技术有多种不同的实现方法，包括基于原位杂交的成像技术和基于转录组测序的技术。其中，基于高通量转录组测序的10x Visium是商业化较为成熟的技术平台之一。

10x Visium平台使用微阵列技术将有序的寡核苷酸阵列沉积在载玻片上，然后将薄的组织切片覆盖在阵列上，进行透化操作使细胞的RNA扩散到带有条形码的寡核苷酸上，并原位反转录以产生带有空间索引的cDNA，然后进行高通量测序。

图2 10x Visium空间转录组测序原理[1]