深度认知嗅觉——MERFISH功不可没!

【字体: 时间:2022年07月22日 来源:基因有限公司

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  为了更好地了解嗅觉系统如何感知气味,Paul L. Greer研究团队利用单细胞测序、空间转录组技术以及MERFISH原位单细胞空间转录技术绘制了小鼠嗅小球的空间转录组图谱,更好地揭示了气味处理的原则。

嗅觉系统感知和区分环境中存在的大量化学物质的能力对动物的生存至关重要。在哺乳动物中,这种气味处理的第一步是由嗅觉感觉神经元(OSN)执行的,这些神经元将其轴突投射到嗅球(OB)的一个固定位置,形成嗅小球。嗅球中嗅小球的不同位置在嗅球的气味感知中发挥着至关重要的作用。为了更好地了解嗅觉系统如何感知气味,Paul L. Greer研究团队在2022年4月发表在Nature Neuroscience上一篇名为Spatial transcriptomic reconstruction of the mouse olfactory glomerular map suggests principles of odor processing的文章,利用单细胞测序、空间转录组技术以及MERFISH原位单细胞空间转录技术绘制了小鼠嗅小球的空间转录组图谱,更好地揭示了气味处理的原则。

OSN转录异质性评估。作者对三种不同种类的嗅觉神经元(OSN)进行测序,OSN的种类由气味受体(OR)的种类确定。研究人员发现了三种OSN的异质性是由数千种差异表达的基因引起的。并且差异表达基因中除了OR基因外,还包括了与轴突投射引导相关的基因。随后,作者对小鼠嗅觉上皮细胞做了单细胞测序,UMAP图显示,表达相同OR的细胞与表达不同OR的细胞分别聚集在一起。即使在聚类分析时扣除OR基因,每种类型的OSN都与所有其他类型的OSN 分开聚类,这表明每种类型的OSN都表达一种独特的转录程序,使其与所有其他OSN相区分。综上,作者通过单细胞测序技术验证了表达相同OR的一类OSN拥有一套特殊的转录程序,以在OSN突触引导投射至特定位置嗅小球中发挥作用。如图所示,a为单细胞测序流程示意图。b是UMAP投影图上不同细胞类型的分布。c用于细胞类型判别的基因表达。d为细胞类型之间差异表达基因集。


图1.不同OSN的异质性及其差异表达基因

嗅小球空间转录组分析。作者的关注点转变至研究OSN转录程序与其嗅小球位置之间的关系。作者利用Slide-seqV2技术确定了部分嗅小球位置,如图2a-d所示。作者利用Slide-seqV2确定了带有不同标志基因的细胞层,表明这种方法准确地捕捉了mRNA的空间位置。通过同一细胞层中接近的点表达相同OR基因,确定了65个嗅小球位置如图2d所示。作者通过某一位置表达的OR基因种类构建了一个利用OSN转录程序预测其相关嗅小球位置的模型。模型预测结果如图2ef所示,准确度较高。


图2.预测嗅小球位置

重建小鼠嗅小球图谱。为了验证该模型的可靠性,作者使用了VIZGEN厂家的商品化MERFISH平台——MERSCOPE。利用该平台,作者验证了3个独立切片中11个嗅小球的位置,结果与依靠模型预测的位置一致。证明了作者搭建的预测不同OSN形成嗅小球位置模型的可靠性。如图3所示,OSN对应的嗅小球位置(蓝色圆点,每一个圆点就是一条mRNA)信息一览无余。作者在文中多次强调利用MERFISH技术可以“独立”的获得可靠的嗅小球位置图谱如图4所示,是因为MERFISH以其捕获单条mRNA分子的超高灵敏度在切片上进行原位杂交,进而绘制整张切片(1cm2)的基因表达图谱。通过显微镜,直接看到关心的组织上基因表达的种类、分布、水平,是对基因/细胞与其空间位置信息的直接反映。因此一张MERFISH图谱就可知道转录程序、细胞类型、空间位置这三重信息。用更高灵敏度的方法验证模型可靠与否,使得该模型对日后更精细解释分辨不同气味的机制奠定了坚实的基础。


图3.MERFISH图谱显示不同OR基因的表达分布


图4.MERFISH获得部分嗅小球位置图谱

MERFISH即多重荧光原位杂交技术,突破了传统的smFISH一次检测3-5种基因的局限,通过组合标记、超高分辨率顺序成像,可同时检测多至500种基因的表达和空间定位,得出组织全景图片、细胞图片、检测到的所有转录本、显示每个转录本在细胞中的空间分布并对其定量,实现真正意义上的单细胞原位空间转录组研究。是单细胞测序技术不可或缺的验证手段,同时更加擅长检测到低表达丰度的转录本、发现新的细胞亚型、揭示微环境等。MERFISH技术诞生于美国哈佛大学庄小威院士实验室,在空间转录组研究领域是不可或缺的研究手段。本文中运用MERFISH技术对空间转录组技术的结果进行了进一步的验证,更加准确、可信地绘制了嗅小球在嗅球上的空间分布。

基因有限公司于2022年3月正式签约成为美国Vizgen公司MERSCOPE™ MERFISH超分辨荧光显微成像分析系统在中国的总代理。负责该系统的售前技术咨询、售后安装培训、应用支持等工作。戳下图获得更多一手资料吧~

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