预制神经细胞类型panel的MERFISH数据到底如何？

【字体：大中小】 时间：2023年06月12日 来源：

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　　MERSCOPE预制神经细胞类型panel提供了一种功能强大，快速可用的方法来识别和分型小鼠大脑中的细胞，并探索它们的细胞空间分布和细胞相互作用。

MERSCOPE™可对1cm2的组织进行超分辨成像，分辨率≤100纳米，定位单细胞中RNA的空间分布以及定量基因表达。然而，设计一个基因panel需要生物信息学的专业知识和大量的时间投入来选择感兴趣的基因。除了完全定制的基因panel外，还需要更加方便快捷的基因panel选项，以有效地促进研究进展。

作为解决方案，Vizgen着手开发两种预制的基因panel，分别是预制人肿瘤通路基因panel以及预制小鼠神经细胞类型基因panel ，并于今年3月底隆重发布。

其中，神经细胞类型panel针对500个基因，包括根据已发表的大规模scRNA-seq和空间转录组数据集筛选的细胞亚型标记以及具有成熟神经功能的基因，例如神经递质、神经肽、受体、离子通道和神经元活性相关基因（表1）。

表1：神经细胞类型基因panel中包含的部分神经功能相关基因列表。

预制神经细胞类型panel表现如何？

为了评估神经细胞类型panel的有效性，Vizgen使用MERSCOPE™平台分析了来自两只成年C57B6小鼠大脑的16个矢状面和11个冠状面新鲜冷冻脑切片。进行MERFISH成像、解码和细胞分割后，生成单细胞基因表达谱并进行下游分析(图1)。

图1. 在MERSCOPE®平台上使用神经细胞类型基因panel生成小鼠脑细胞图谱的实验设计。

1. 忠实捕获小鼠大脑中的基因表达

使用神经细胞类型panel从每个小鼠脑切片检测到2000万-1亿个转录本，相邻脑切片之间的Pearson相关系数为0.99（图2A），具有较高的可重复性。MERFISH数据与RNA-seq数据的相关性为0.7-0.8，并且，神经细胞类型Panel具有很高的检测效率，可以可靠地检测到低表达基因(FPKM 0.05-1)（图2B）。此外，检测到的脑区域特异性基因的空间分布显示出清晰的脑区域特异性表达模式（图2C），且与传统原位杂交测定的空间分布一致（图2D）。这些结果证实，在MERSCOPE®平台上使用神经细胞类型panel可以准确检测组织环境中的基因表达。

图2. 神经细胞类型panel忠实地检测小鼠大脑中的基因表达。

2. 揭示不同的细胞类型、亚型及其在小鼠大脑中的空间分布

本次实验获得了280万个高质量的单细胞(每个细胞中检测到的转录本> 50)，鉴定出96个具有不同基因表达特征的细胞簇。在每个细胞中，检测到成百上千个转录本(平均615个，中位数419个)，并且通常在神经元中检测到的转录本多于非神经元细胞，这与先前的单细胞RNA-seq研究一致。

绘制脑切片上的主要细胞群清楚地说明了不同的大脑区域具有不同的细胞组成（图3），96个细胞簇的空间分布说明了大脑不同区域内的详细解剖结构，不同细胞类型的分布呈现高度多样化。

图3. 绘制小鼠大脑不同冠状(上)和矢状(下)切片上的主要细胞群

神经细胞类型panel除了可以解析细胞类型及其在脑组织中的空间分布之外，还能识别精细的细胞亚型。例如，从γ-氨基丁酸能神经元（GABAergic neuron）中分离出64个亚簇(图4C)，从谷氨酸能神经元群体中分离出66个亚簇(图4D)。这些亚簇表现出不同的基因表达谱(图4E和4F)和空间分布模式(图4G和4H)，其中许多对应于已知的解剖区域/细胞类型。

图4. 神经细胞类型panel揭示了小鼠大脑的神经元多样性。

3.提供对小鼠大脑解剖和功能的见解

采用Alpha shape方法来识别细胞簇的邻域，并量化细胞簇之间的空间重叠(图7A)。结果显示，虽然一些细胞簇占据不同的邻域，很少与其他细胞簇重叠（图7D），但大多数细胞类型在不同范围内与某些其他细胞类型重叠(图7B、C)。

利用邻域分析和细胞类型特异性配体受体表达谱，可以进一步研究不同细胞群体之间的细胞信号传导和调节。例如，在纹状体中，D2 MSN表达了高水平的Penk(图7E，左)，其编码一种可以加工产生五肽阿片(脑啡肽)的前蛋白。Oprd1编码脑啡肽受体(δ阿片受体)，在D2 MSN和邻近的胆碱能神经元中均有表达(图7E，左)。这些数据表明D2 MSN中的细胞自主调节(配体分泌并作用于位于同一细胞上的受体)和D2 MSN到胆碱能神经元的非细胞自主调节(配体分泌并作用于位于另一个细胞上的受体)，两者都是通过脑啡肽- δ阿片受体信号传导。与D2 MSN相比，在胆碱能神经元中检测到更多的Oprd1转录本(图7E，左)，表明细胞间类型调节比细胞自主调节更强。这些结果证实，使用神经细胞类型panel生成的空间转录组数据可用于研究细胞群体相互作用，包括信号传导和调控，从而提供对小鼠大脑的解剖和功能见解。