空间多组学满足单细胞、空间环境多维分析的需

作者：杨超月

空间多组学满足单细胞、空间环境多维分析的需求

2022-02-18 09:53 来源: 云准科技

原标题：空间多组学满足单细胞、空间环境多维分析的需求

研究疾病和发展动态的研究人员越来越多地依赖于能够对组织内的RNA和蛋白标记物进行空间分析。空间蛋白组学和空间转录组学等工具有助于回答复杂的生物学问题。生物过程是由多种模式同时发生的变化驱动的。转录组学和蛋白组学提供了关于组织样本中细胞类型、状态和功能的独特信息。合并这些方法提供了一个更细致的组织生物学视角，揭示了可能被单一的数据来源所遗漏的见解。

空间转录组学使得无偏差的发现成为可能

研究转录组可以提供细胞、组织或有机体在给定时间点上存在的RNA分子的快照。基因表达模式因细胞类型而异，通过捕获转录组数据，我们可以收集有关组织样本中存在哪些细胞类型及其功能状态的有价值的信息。

有几种方法可以让研究人员在不同的分析水平上研究转录组。批量RNA测序方法在群体水平捕获基因表达，而单细胞RNA测序有助于通过单个细胞的基因表达谱，以捕获样本中存在的异质性。

空间转录组学是一种新兴的方法，它提供了空间环境下的基因表达分析。绘制跨组织的基因表达图谱可以让我们确定细胞群的空间组织。然而，目前的空间转录组学方法缺乏真正的单细胞分辨率，依赖于感兴趣区域(region of interest, ROI)或基于点的捕捉方法，无法准确捕捉细胞多样性。

然而，转录组学依然是发现驱动型研究的有力工具。在一个实验中，通过对成千上万的细胞和基因进行分析，获得组织微环境无偏差的信息，这种方法与基于成像的空间蛋白组学具有高度互补性。

空间蛋白组学捕捉真正的细胞行为

虽然mRNA和蛋白之间存在显著的相关性，但研究也报告了这些相关性相当大的差异。转录组分析不能反映蛋白降解、蛋白间相互作用和翻译后修饰，所有这些都需要可以通过直接蛋白检测来表征。

蛋白组学方法是在特定的环境条件下，特定的时间点检测细胞、组织或有机体中存在的蛋白。作为几乎所有生物过程的驱动因素，研究蛋白使我们更接近细胞行为的真实表征。细胞对周围环境的信号和变化作出反应，这些变化反映在蛋白组中，蛋白组因细胞类型、功能状态、位置以及与其他细胞的相互作用而变化。

就像研究RNA一样，也有工具可以在不同水平上研究蛋白组。质谱可以在群体水平上对样品中表达的蛋白进行鉴定和量化。单细胞方法，如流式细胞术和质谱流式，可以在单个细胞中检测表达蛋白。基于成像的空间蛋白组学，通过多重免疫荧光(mIF)，以单细胞分辨率捕获整个组织切片中蛋白的空间分布。利用空间蛋白组学方法，我们可以捕捉由环境变化和药物治疗引起的蛋白表达和定位变化。CODEX平台可以通过高度多重成像在一个组织切片中捕获超过40个蛋白生物标志物。

人恶性转移性黑色素瘤FFPE组织的CODEX成像

蛋白组学也为转化和临床研究提供了有价值的信息。蛋白是发生在健康和患病组织中的动态变化的代表，并往往构成大多数药物靶点。因此，研究蛋白生物标记物在开发治疗方法和诊断工具方面也特别有价值。

空间多组学集成并可视化转录组和蛋白组数据

由于许多患者对免疫疗法没有反应，对患者分层的一刀切的方法是不科学的。个体具有独特的基因组、转录组和蛋白组谱，所有这些都可以在疾病进展和治疗反应中发挥作用。

人们对更全面的多层次生物学途径的研究越来越感兴趣。蛋白组和转录组数据具有互补的特点，这使得研究人员可以将细胞的蛋白组和转录组信息与单细胞的空间环境信息整合。整合的空间多组学分析有潜力发现新的关联，罕见的细胞群和复杂的疾病标记物，提供了组织微环境的系统-生物学观点。目前已经开发了几种综合分析策略，将CODEX基于多重成像的空间蛋白组数据与单细胞RNA测序和CITE-seq数据合并。

GLUER (inteGrative anaLysis of mUlti-omics at single-cEll Resolution)就是这样一种工具，它集成了单细胞多组学数据和成像数据。该方法由美国费城儿童医院和宾夕法尼亚大学的Kai Tan博士和他的团队开发。该团队描述了他们如何使用GLUER将CODEX基于成像的空间蛋白组数据与单细胞RNA测序数据合并，以研究小鼠脾脏组织中转录本和蛋白表达的空间分布。