Neuron：新平台可实现空间转录组和空间代谢组分析的整合

　　

空间转录组学（ST）揭示了哪些基因在组织中表达以及其具体位置，而空间代谢组学（SM）则绘制了代谢物在组织中的分布图。

将两者结合起来，有助于将细胞身份与代谢状态相关联。然而，由于化学试剂和成像技术等不兼容，同一张切片的单细胞对齐仍然受限。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所（IGDB）段力辉研究员领导的团队开发出一种低成本的模块化空间转录组学平台。这个名为OpenFISH的开放式平台与空间代谢组学常用的MALDI-MSI技术兼容。

这项研究成果于9月29日发表在《Neuron》杂志上。

生物系统可以被视为一栋多层建筑。信息从基因组流向转录本、蛋白质、代谢物，最终到达表型——每一层都与其他层相互作用。如果仅测量其中一层，就可能无法了解整体情况以及各层之间的联系。

如今，科学家们能够以单细胞分辨率检测组织内的分子特征，但现有的空间转录组学技术成本高昂，许多实验室难以应用。

为了克服这一挑战，研究人员采用模块化探针设计来降低探针合成成本，并结合一种无需微流控系统的简易基因编码系统。他们还优化了实验流程，将实验时间缩短至<13小时。

一台标准的20倍宽场荧光显微镜就足以在原位捕获清晰的信号。这些工作使得OpenFISH的总成本比主流的商业平台相比降低了约95%。

随后，研究人员将OpenFISH技术应用于两项神经科学研究：一是检测炎症期间细胞类型相关的转座元件（TE）水平升高；二是检测Reln基因敲除后神经元细胞层状结构的改变。

他们观察到转座元件上调具有可重复性，表明转座元件是神经炎症通路的活跃驱动因子或调节因子。除了Reln基因敲除引起的解剖结构变化外，他们还观察到纹状体D1型抑制性神经元的数量减少。

空间转录组学和空间代谢组学通常在连续切片上进行。然而，两张相邻组织切片之间的固有差异可能会影响数据解读。

为了解决这个问题，研究人员对用于MALDI-MSI的导电玻璃载玻片进行了改良。通过聚丙烯酰胺凝胶包埋、蛋白质消化和脂质去除等步骤，即使经过MALDI-MSI中使用的强激光处理，OpenFISH信号仍然能被轻松检测到。

离子特征信号和转录本检测几乎不受整合过程的影响。利用这一综合分析流程，研究人员揭示了小鼠脑细胞中与细胞类型相关的代谢物，并发现两种模态的融合改善了解剖结构的描绘。

他们还将该流程应用于阿尔茨海默病（AD）模型——5xFAD小鼠。AD小鼠的小胶质细胞变化最为显著，与健康对照组相比，这些小鼠体内与特定细胞类型相关的多种代谢物水平升高。

研究人员指出，这项工作推出了一款经济高效的空间转录组学工具，该工具可与空间代谢组学平台无缝结合，从而更好地厘清生物系统中复杂的分子相互作用。