空间转录组技术小百科（一）

空间转录组技术用于在空间水平上解析基因表达数据，可以同时获得细胞的空间信息和转录模式，以提高我们对组织微环境的理解。空间转录组可以结合显微成像和测序技术来获取基因表达数据，同时最大程度地保留样本的空间位置信息，使研究人员能够找到更有价值的结果。目前，基于不同的检测原理，发展出多种多样的空间转录组技术。为了帮助对空间转录组研究感兴趣的老师们把握这个领域的技术框架，小编在这里做一个专题介绍，分几期详细介绍各种类型的空间转录组技术。

01 为什么要研究空间转录组

转录组学技术的进步加深了我们对多细胞生物的细胞基因表达模式的理解，为疾病的诊断和治疗提供了理论基础。然而，无论是bulk测序还是单细胞测序技术，都失去了组织微环境中细胞的空间背景。因此，能够同时获得基因表达水平和基因表达位置信息的空间转录组技术，成为组织微环境和转录组研究的有力工具。

图1.单细胞测序允许研究者们从组织中获得细胞异质性，而空间转录组进一步拓展了异质性的空间分布特征

02 空间转录组技术分类

 与传统转录组学技术相比，空间转录组的难点在于如何检测基因表达的同时确定基因在组织内表达的位置。为了解决这一问题，目前的检测技术原理主要分三种类型：

1）利用原位技术与目的基因结合，通过检测荧光或测序来确认不同基因的表达水平及分布。在原位技术中有两条分支：原位杂交和原位测序。原位杂交通过化学或荧光信号标记能够与特定转录本特异性结合的探针序列，在杂交后检测探针上的化学或荧光信号，利用成像技术获得基因的空间表达信息，如smFISH、MERFISH和Nanostring CosMx SMI等等。原位测序则通过高通量测序技术，对组织中的RNA反转录生成的cDNA或与转录本杂交的引物探针上的特异性barcode碱基序列进行测序，获得基因的定量信息，如ISS、STARmap、Xenium等等。

这种技术因为可以在组织原位进行单分子的检测，具有最高的分辨率。但因为需要设计转录本特异性探针或引物，并且荧光种类较少，导致检测靶标有限，难以获得全转录组或无偏的转录组信息。

图2.原位杂交和原位测序原理

2）通过在测序文库中添加特殊barcode条码序列信息来标记基因表达的空间位置。这种barcode序列会与捕获转录本的探针结合，具有空间特异性。在进行测序数据分析时通过读取这段barcode序列即可获得这条探针的空间坐标，从而获得组织中基因表达的空间位置信息，如Visium、Slide-seq、Stereo-seq等等。这种技术一般会在一个较小的固定区域内（spot）锚定带有相同空间barcode序列的捕获探针，以spot为单位分析基因的空间表达情况，导致检测分辨率受限于spot的大小，spot越大，分辨率越低。但是，捕获探针一般通过polyT序列与mRNA 3‘端ployA结合来捕获转录本，且没有成像技术受荧光种类数限制的问题，因此可获得全转录组或无偏的转录组信息。

图3.空间barcode条形码定位基因表达的技术原理

3）利用显微切割或圈选感兴趣区域（region of interest，ROI）的方式，通过bulk RNA测序方法分别获得组织上不同区域的整体基因表达信息。这种方式利用物理切割或光学/分子标记技术从ROI区域捕获全部转录本，然后进行定量分析。基于这种原理的技术有LCM、GeoMx DSP等等。这种方法与上面两种方法相比操作简单、靶向性强，能获得更有针对性的转录组信息，但无法确认转录本在切割组织或ROI内的具体位置分布，分辨率较低，并且需要病理学先验知识来确定目标检测区域。

图4.显微切割或圈选ROI技术原理

本期内容介绍了空间转录组研究的意义和价值，并简单介绍了目前空间转录组实验技术的原理分类和特点。总体而言，空间转录组实验技术可分为原位检测、空间barcode和检测显微切割或ROI区域三种。这三种技术各有优劣，其中原位检测的分辨率最高，但检测靶标数量有限。另外两种的分辨率低于原位技术，但可以获得全转录组或无偏检测信息。各位老师可以根据研究目的选择合适的技术类型开展空间转录组学实验。下一期我们围绕这三种类型中的原位技术，详细介绍其发展历程和相应检测技术的原理，敬请期待。

参考文献

[1] Williams, Cameron G et al. “An introduction to spatial transcriptomics for biomedical research.” Genome medicine vol. 14,1 68. 27 Jun. 2022