看MERFISH发Science有多牛！（上）

10月13日，国际顶级期刊Science及其子刊上发表了21篇研究性论文，使用单细胞转录组、表观基因组、空间转录组等高新技术研究人、非人灵长类等大脑中的细胞类型和功能。在成人大脑单细胞图谱构建、成体 NHPs 单细胞图谱、比较人类与 NHPs 大脑的细胞组成、表征人类和 NHPs 大脑发育中的发育动力学特征以及人类神经元细胞类型的功能和建模方面取得了丰硕的研究成果。这些发现不仅为细胞类型多样性在人类大脑区域和物种特异性差异中的作用提供了新的视角，还为研究不同科学问题模型的开发和选择提供信息，包括对人类疾病机制的研究。

在这21篇文章中，12篇Science正刊中有5篇文章涉及的研究使用了美国Vizgen公司MERSCOPE™ MERFISH超分辨荧光显微成像分析系统用于解析人大脑组织复杂性以及细胞多样性。下面我们一起看看MERSCOPE™如何助力科学家们将研究成果刊登到Science上。

1. 发育中的人类丘脑的时空分子动力学

在题为“Spatiotemporal molecular dynamics of the developing human thalamus”的研究中，Tomasz J. Nowakowski团队利用单细胞转录组和MERFISH(multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization)技术首次提供了发育中的人类丘脑中细胞类型的分子特征和空间分布，并强调了一个尚未得到充分研究的GABA能神经元群可能有助于人类进化。

通过整合先前发表的单细胞数据集，研究人员生成了妊娠早期丘脑的参考图谱，涵盖卡内基分期（Carnegie stages）6至10，由5个样本的27,362个细胞组成，以及妊娠中期丘脑的参考图谱，涵盖妊娠16至25周，由10个样本的137,007个细胞组成。使用MERSCOPE™ MERFISH空间转录组学平台验证了妊娠早期及中期丘脑中细胞类型的空间分布。

①在妊娠早期，丘脑和邻近的丘脑前庭发生神经发生，产生谷氨酸能和γ-氨基丁酸介导的(GABAergic)神经元。为了获得这两类神经元细胞的空间位置信息，研究人员对GW10人类前脑吻侧的冠状切片进行MERFISH原位单细胞空间转录组学分析(图1D)。结果表明人类丘脑中谷氨酸能神经元在妊娠中期分化为两种主要亚型，它们在空间和分子上组织成不同的核，其分子特征和空间分布与小鼠相似。相比之下，人类丘脑中GABA能神经元的数量和空间分布显著增加，有6种亚型，其中大多数来自丘脑外的大脑区域，并在妊娠中期迁移。并证实了可能是人类特异性GABA能神经元亚型的存在，这些亚型起源于发育中的前脑的邻近区域——神经节隆起(图1F-H)。

图1. 妊娠早期丘脑中细胞类型的空间分布。(D)MERFISH相邻冠状切片CS22 (GW10)HE染色。D,背侧;V,腹侧;M,内侧;L侧面。(E) MERFISH区域注释。MZ，丘脑边缘区；GZ，丘脑生发区；GE，神经节隆起。(F)细胞类型的空间注释。EN，兴奋性神经元；nEN，新生儿兴奋性神经元；IN3，抑制性神经元3；IPC1，中间前体细胞1；GE，神经节隆起。(G)来自(E)区域内细胞类型的相对比例。(H)端脑(FOXG1)和间脑(TCF7L2和LHX9)、分裂细胞(MKI67)、放射状胶质细胞和IPCs (OLIG3)，以及丘脑吻侧来源的GABA能神经元(SOX14)的空间分布。

②胶质细胞发生在妊娠中期，产生胶质祖细胞、星形胶质细胞和室管膜细胞。为了揭示神经胶质细胞类型的空间分布模式，研究人员使用MERSCOPE™平台对从三个生物独立的妊娠中期丘脑样本中收集的八个矢状面切片进行了MERFISH原位单细胞空间转录组学分析（图2）。在妊娠中期，观察到沿内侧-外侧轴的成熟梯度，胶质祖细胞在丘脑的更内侧区域富集，星形胶质细胞在丘脑的更外侧区域富集；确定了星形胶质细胞的两种主要亚型，一种在丘脑内富集，另一种在丘脑附近的邻近大脑区域富集；室管膜细胞排列在丘脑的外边缘；而其它非神经元细胞类型，包括少突胶质细胞系、小胶质细胞和神经血管细胞，分布在整个丘脑中。

图2. 妊娠中期丘脑中非神经细胞亚型的空间分布。(A)丘脑矢状切片的尼氏(Nissl)染色。各部分按从左(最外侧)到右(最内侧)的顺序排列。(B)非神经元亚型的MERFISH转录组学数据的空间聚类分析。AC1和AC2，星形胶质细胞亚型；GL，双能神经胶质祖细胞。(C)EP(FOXJ1)，AC1(LGR6)和AC2(SPARCL1)标记归一化表达的空间特征图。

2. 比较转录组学揭示了人类特有的皮质特征

大脑皮层参与复杂的认知功能，例如语言。尽管皮层细胞类型的多样性和组成模式已经在多种哺乳动物中得到了广泛的研究，但人类皮层的特化可能是我们独特的认知能力的基础，我们仍然知之甚少。

在题为“Comparative transcriptomics reveals human-specific cortical features”的研究中，美国艾伦脑科学研究所Trygve E. Bakken研究团队利用比较单核转录组学来分析了成人、黑猩猩、大猩猩、猕猴和普通狨猴的中颞回(MTG)样本，并用MERSCOPE™ MERFISH空间转录组学平台基于140个基因的panel确定人类皮层内的细胞类型位置及比例，以了解人类特异性的皮层特征。

与猕猴和狨猴的MTG相比，人类、黑猩猩和大猩猩的MTG表现出高度相似的细胞类型组成和层状组织，以及深层端脑内透射神经元比例的巨大变化。与神经元或少突胶质细胞前体细胞相比，小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞在物种间的表达差异更大，而且神经元在人类谱系中的表达分化更快。只有几百个基因显示出人类特有的模式，这表明相对较少的细胞和分子变化明确地定义了成年人的皮层结构。

图1. 五个物种的转录组细胞分类情况。A. 五个物种尼氏(Nissl)染色的MTG横截面。D. 从上到下依次为:基于Cv3聚类中位数表达的人类分类学树形图；SSv4层解剖估计的层分布热图；基于人MTG Marker的原位表达测定，按类型分组的细胞相对皮质深度(灰质到白质)的小提琴图。

图2. MERFISH基于CUX2在人类和猕猴MTG中的表达模式，验证了L5/6 IT Car3神经元中亚型。

3. 空间转录组揭示了人类新皮层的细胞结构

细胞结构的变化是定义皮层区域的组织学依据。该研究使用单细胞转录组学以及MERFISH空间转录组学对人类皮层进行细胞表征，以更好地了解皮层区域特化。

在题为“Transcriptomic cytoarchitecture reveals principles of human neocortex organization”的研究中，艾伦脑科学研究所的Rebecca Hodge、Ed S. Lein和Trygve E. Bakken团队为定量比较不同皮层区域的分子和细胞结构及区域特化，使用单核转录组学和MERSCOPE™ MERFISH空间转录组学平台对跨越皮质结构变异的8个皮层区域进行分析（包括初级感觉皮层和关联皮层)，以高分辨率表征人类新皮层的细胞结构。

单核RNA测序显示24个细胞亚类的细胞组成高度一致。然而，兴奋性神经元亚类的比例差异很大，可能反映了初级感觉运动皮层和关联皮层之间连通性的差异。

MERSCOPE®空间转录组学平台则原位展示细胞结构：星形胶质细胞和少突胶质细胞的层状组织在不同区域存在差异；初级视觉皮层表现出特有的组织结构，兴奋性神经元与抑制性神经元的比例、第4层兴奋性神经元的扩张和特化的抑制性神经元发生了重大变化。这些结果为人类皮层细胞结构和区域特化的精细细胞和分子表征奠定了基础。

图1. 使用单细胞核RNA测序和MERFISH空间转录组学展示了一系列新皮质区域的细胞结构。A. 基于Nissl染色显示分析区域的不同细胞结构。B. 8个皮层区域在大脑上的位置。C. 神经元亚类在每个区域中占所有兴奋性或抑制性神经元的比例，并基于snRNA-seq分析或MERFISH原位空间组学技术进行估计。

图2. 基于MERFISH原位空间转录组成像技术确定了L2/3/4 IT和SST类型的层状分布。

MERSCOPE™ MERFISH超分辨荧光显微成像分析平台

2021年美国Vizgen公司经授权开发并商品化出MERSCOPE™超分辨荧光显微成像分析平台，可以对1 cm2组织以100 nm分辨率单次原位检测几百上千种基因，基于其高灵敏度的检测有助于分析低表达丰度的转录本并借此鉴定分析稀有罕见的细胞类型以及细胞亚型。通过分析细胞之间的空间邻近以分析细胞互作、细胞通讯，揭示组织细胞类型组成以及微环境。

添加产品经理企业微信获得更多信息：

参考文献：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf9941

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9516

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6812

— End —

基因有限公司于2022年3月正式签约成为美国Vizgen公司MERSCOPE™超分辨显微成像分析系统在中国区的合作伙伴。负责该仪器的售前技术咨询、售后安装培训、应用支持等工作。同时，上海贝晶生物技术有限公司也提供MERFISH技术服务。

基因有限公司成立于1992年，是一家提供生命科学科研仪器、试剂耗材和技术服务的综合服务商。基于“Gene Brightens Every Life•BioTech Connects the World“---“基因燃亮生命•生物技术连接世界”的愿景，专注于生命科学领域前沿技术的引进和推广，致力于推动该领域国内科研机构硬件水平及实验方案的革新与升级。同时，公司也一直致力于自主品牌的科研设备的研发与生产，拥有一系列通用性强、互补性高的自主品牌产品。公司的服务网络遍及全国各地十多个大中城市，拥有包括仪器销售，试剂销售，市场与技术支持，维修，客服，物流等多个部门组成的完整服务体系。我们希望通过不懈努力，为您的成功铺路搭桥，也为中国的生命科学事业赶超世界先进水平尽一己之力。欲了解更多信息，请访问www.genecompany.cn。