“我們最近的一些研究成果主要關(guān)注，在胚胎發(fā)育中他們的時間和空間的一個動態(tài)變化過程。我們希望能從人體中發(fā)育的過程去學(xué)習(xí)，在體外將這些知識轉(zhuǎn)化成為我們可以真正對細(xì)胞有更多的了解和獲得一些功能性細(xì)胞的方法。因此，我們在實(shí)驗(yàn)室非常關(guān)注特別高通量的單細(xì)胞測序的一些技術(shù)，這些技術(shù)讓我們可以無偏差地對各種細(xì)胞它們存在的各種形式進(jìn)行一個廣譜性的了解?！?/span>

——中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院

彭廣敦教授

2023年5月25日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院彭廣敦課題組在Nature Methods上發(fā)表了題為“Simultaneous profiling of spatial gene expression and chromatin accessibility during mouse brain development”的研究論文，揭示了一種名為MISAR-seq的空間多組學(xué)技術(shù)。課題組成功將MISAR-seq應(yīng)用在了胚胎期小鼠腦發(fā)育機(jī)制的研究中，并首次構(gòu)建出了小鼠腦發(fā)育的時空多組學(xué)圖譜?；谌A大智造MGISEQ-2000測序儀，該研究對小鼠不同胚胎發(fā)育時間點(diǎn)的空間RNA和ATAC文庫進(jìn)行了測序。

在該研究中，MISAR-seq的空間多組學(xué)技術(shù)(Microfluidic indexing-based spatial assay for ATAC and RNA-sequencing）通過微流控芯片依賴的靶向barcode遞送系統(tǒng)，在保留細(xì)胞空間位置信息的前提下同時實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)ATAC和RNA兩種組學(xué)信息的捕獲，不僅首次構(gòu)建出了小鼠腦發(fā)育的時空多組學(xué)圖譜，同時也揭示了啟動子及增強(qiáng)子形成的順式調(diào)控元件在腦發(fā)育中的具體調(diào)控機(jī)制。

事實(shí)上，單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)一次性獲取同一細(xì)胞內(nèi)的多個組學(xué)信息，但也伴隨著其空間位置信息丟失，而空間組學(xué)技術(shù)不僅可以很好地保留細(xì)胞原位的空間位置信息，還可以同時捕獲細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄組信息。但是，目前的空間組學(xué)技術(shù)主要局限于單個組學(xué)信息的捕獲。如果能夠開發(fā)出一種在同一組織中同時捕獲多個組學(xué)信息的空間多組學(xué)技術(shù)，將其用于捕獲人體內(nèi)的所有細(xì)胞，并構(gòu)建出單細(xì)胞分辨率的三維數(shù)字化人，將會極大的幫助我們解析人類細(xì)胞的時空譜系及相關(guān)調(diào)控機(jī)制，從而更好的服務(wù)于人體衰老和疾病的治療。

MISAR-seq技術(shù)具有同時在一個空間位置樣本上分析RNA與ATAC信息的能力。因此，研究人員特別關(guān)注了E11.0、E13.5、E15.5及E18.5的多個胚胎期小鼠腦的發(fā)育。基于華大智造MGISEQ-2000測序儀，研究人員對小鼠不同胚胎發(fā)育時間點(diǎn)的空間RNA和ATAC文庫進(jìn)行了測序，兩種文庫均采用雙端測序模式，并與單一組學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。華大智造獨(dú)有的DNBSEQ技術(shù)為高質(zhì)量、高準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)的獲得提供了保障，助力高水平科學(xué)研究的探索。

首先，研究人員驗(yàn)證了MISAR-seq的數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)基于空間雙組學(xué)的ATAC及RNA數(shù)據(jù)與其相應(yīng)單組學(xué)數(shù)據(jù)的質(zhì)量接近甚至更好，每個單元數(shù)據(jù)點(diǎn)所檢測到的基因數(shù)大致在2500-3500之間。進(jìn)一步和單細(xì)胞數(shù)據(jù)的整合分析顯示，該技術(shù)所捕獲到的腦細(xì)胞類型與相應(yīng)單細(xì)胞的腦結(jié)構(gòu)注釋也非常吻合。

MISAR-seq的數(shù)據(jù)質(zhì)量

接下來，研究人員將具有不同發(fā)育時期且包含兩種組學(xué)信息小鼠腦發(fā)育數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合分析，并開發(fā)了基于空間位置限制與圖像特征提取結(jié)合的生物信息學(xué)工具，有效提高了不同組學(xué)在多個不同時期點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的“橫向”與 “縱向”整合能力，從而繪制出了小鼠腦發(fā)育的時空多組學(xué)圖譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是單獨(dú)使用MISAR-seq ATAC或RNA數(shù)據(jù)，或者是同時使用兩種組學(xué)數(shù)據(jù)（Combined）進(jìn)行空間聚類均能較好的進(jìn)行腦區(qū)劃分，且聚類結(jié)果與Allen Brain Atlas的注釋均較為一致。

E11.0, E13.5, E15.5 和E18.5小鼠腦的空間基因表達(dá)、染色質(zhì)可及性以及結(jié)合二者的空間圖譜

最后，基于已獲得的MISAR-seq數(shù)據(jù)，研究人員通過繪制兩種組學(xué)在皮層發(fā)育的空間和時間的軌跡，嘗試進(jìn)一步解釋皮層發(fā)生過程中染色質(zhì)開放與基因表達(dá)之間的級聯(lián)調(diào)控關(guān)系。研究人員發(fā)現(xiàn)Pax6-Eomes-Tbr1形成的直接級聯(lián)調(diào)控建立了小鼠皮層發(fā)生過程中基因表達(dá)的順序和區(qū)域特異性。這些結(jié)果表明，多組學(xué)的時空軌跡分析可以較好的預(yù)測決定細(xì)胞命運(yùn)的重要驅(qū)動元件，并且可以提供TF的具體相互作用模式，從而對諸如皮層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成施加精確的調(diào)控。

未來，研究人員期待MISAR-seq能在空間分辨率以及三維組織解析上得到進(jìn)一步的優(yōu)化和拓展，且能夠兼容更多的組學(xué)信息，并基于此開發(fā)更好的空間多組學(xué)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析工具，從而揭示驅(qū)動結(jié)構(gòu)復(fù)雜組織中細(xì)胞身份和功能決定的具體機(jī)制。

研究團(tuán)隊(duì)主要由來自中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院、生物島實(shí)驗(yàn)室、廣州實(shí)驗(yàn)室的人員組成。博士生江伏青，錢瑩瑩、朱淼及實(shí)習(xí)研究員周鑫等人為該論文的共同第一作者，彭廣敦研究員為論文的通訊作者。研究工作還得到了廣州實(shí)驗(yàn)室崔桂忠研究員、昆明理工大學(xué)陳凱研究員的幫助。