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题目：Slide-tags enables single-nucleus barcoding for multimodal spatial genomics
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2023年12月13日
通讯作者单位：麻省理工、哈佛大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06837-4
主要内容：
使用唯一条形码标记组织中单个细胞的工具意味着每个细胞的基因表达谱可以绘制在其原始位置。这允许以单细胞分辨率捕获空间信息。
在过去的十年中，技术取得了重大进展，可以使科学家了解单个细胞的特性，例如它们的基因表达谱。在提供空间信息的方法方面也取得了类似的进展，例如识别基因在组织中表达的位置。作者提出了一个他们命名为 Slide-tags 的工具，它可以集成这两种方法的最佳方面。
有关给定生物样品中基因表达的信息可以通过对存在的RNA转录本进行测序（称为转录组学）或通过识别控制基因转录的分子机器可访问的基因组区域（表观基因组学方法的一个例子）来获得。更广泛地说，这种技术被称为基因组学，可用于获得单细胞的遗传图谱，或在整个组织中进行基因表达的空间图谱绘制。尽管这两种方法在生物医学研究中得到了广泛的应用，但仍然存在许多挑战。
单细胞方法的主要问题是，在分析过程中试图准确表征细胞的同时，很难保持细胞的自然状态。例如，当细胞在样品制备过程中相互解离并混合在一起时，有关细胞在组织中位置的信息会丢失。保留空间信息很重要，因为它可以揭示细胞类型在组织中的组织方式，这在试图了解发育过程或某些疾病（如癌症）如何进展时很有价值。
将细胞从组织中分离出来也会破坏细胞本身的天然结构。破坏性的程度通常取决于所讨论组织的组成。一些细胞，例如血液中的细胞，可以相对容易地分离，因为它们是自由漂浮的。相比之下，冷冻或脆弱组织中的细胞很难分离，因为它们在组织解离过程中容易破裂。因此，当处理这种性质的组织时，通常只有细胞核可以分离。
对于空间基因组学来说，分辨率是一个关键问题。当将一块组织映射到物理表面上时，可以将表面划分为一个矩阵，其中每个元素（称为“像素”）代表特定的空间位置。像素的大小决定了分辨率。尽管提供单细胞分辨率的像素大小在技术上是可以实现的，但空间像素通常包含来自细胞混合物的信息，到目前为止，很难准确确定哪些数据属于组织中的哪些细胞。
将单细胞和空间基因组学方法结合起来的可能性已成为生物学中的一个热门话题，但缺乏真正的整合。计算方法已经取得了一些进展，但它们并不完美，因为必须对每个空间像素中表示的单元进行预测，并且每个像素永远不会包含来自整个单元格的信息。
在目前的研究中，Russell及其同事利用空间和单细胞方法的现有技巧开发了一种技术，几乎可以为科学家提供两全其美的技术（图1）。作者的方法基于同一实验室的研究人员之前开发的方法。他们首先将玻璃显微镜载玻片覆盖在一层珠子中。每个珠子的宽度为 10 微米，从而产生相同大小的像素。每个珠子上都附着着一串具有独特序列的 DNA，称为 DNA 条形码。由于条形码磁珠随机分布在载玻片表面，因此在条形码磁珠顶部添加薄薄的组织切片之前，必须确定每个 DNA 条形码的位置。
然后使用紫外线将 DNA 条形码从珠子中释放出来，并向上扩散到组织中。几个条形码将扩散到组织中每个细胞的细胞核中，有效地用空间标识符“标记”细胞。然后，作者可以根据其中DNA条形码的组合和相对数量将细胞映射回其在组织中的原始位置。
在传统的空间分辨转录组学和表观基因组学方法中，目标是将空间条形码带入细胞，或将细胞内容物（如RNA转录本）从细胞中取出以满足空间条形码，之后组织保留在表面。但是 Slide-tags 过程是不同的。使用细胞中的条形码，将组织从表面去除，细胞解离并分离单细胞核，为已建立的单细胞分析做好准备。
Russell及其同事方法的主要优点是，来自单个细胞核的基因组信息可以通过已经优化并广泛使用的高通量工作流程进行分析。同时，作者开发的算法可以精确定位这些细胞核在原始组织中的确切空间位置。这项工作填补了该领域的一个重大空白：现在可以以高分辨率绘制有关单个细胞分子含量的深入数据。
将细胞的基因表达谱与其在组织中的位置联系起来的能力可以提供多种生物学见解。例如，Russell等人表明，他们可以绘制大脑皮层中神经元和非神经元细胞类型的位置，甚至可以预测细胞间相互作用，例如淋巴组织中免疫细胞之间发生的相互作用。由于无需对细胞包含的内容或其位置进行近似（就像计算方法一样），幻灯片标签可以提供比以前更准确的组织中细胞类型特异性事件的视图。
幻灯片标签有一些潜在的限制。首先，目前只能分离出单个细胞核，这意味着细胞核外区室中包含的任何分子信息（例如细胞质中的RNA）都缺失了。未来最明显的目标是找到一种方法来保留整个细胞。
其次，几种空间基因组学技术可以处理保存在石蜡中的组织，而载玻片标签目前仅限于冷冻的新鲜组织。此外，该过程仍然需要细胞彼此分离，并且该过程可能不适用于所有类型的组织 - 尽管作者确实展示了在不同组织（例如大脑，扁桃体和黑色素瘤）上使用幻灯片标签。
第三，目前只能识别每个细胞核中所包含的条形码，这意味着大量数据丢失。条形码和鉴定过程都可以更加有效，以便可以将完整的转录组和表观基因组数据集放入空间环境中。
尽管存在这些缺点，但幻灯片标签是对现有单细胞和空间基因组学技术的显着改进，并为两者的更完整整合迈出了一步。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06837-4
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