空间转录组在神经学方向的应用

空间转录组（Spatial Transcriptomics，ST）基于10X Visium平台，是以高空间分辨率解析RNA-seq数据的技术，实现解析单个组织切片中的所有RNA，从而能够定位和区分功能基因在特定组织区域内的活跃表达信息，对于癌症、免疫、肿瘤免疫相互作用，组织微环境，神经和发育等领域，有着令人期待的应用前景。

大脑是一个具有精密组织结构的重要器官。对于大脑结构-功能的关系、发育过程中大脑皮层以及退行性神经疾病领域的研究，空间转录组可以揭示更多的信息。单细胞和空间转录组结合可以将关注的细胞类型及亚型精确的锚定到空间位置上，解析不同功能区域与细胞类型及亚型的关联性。

1.

文献一

英文题目：Transcriptome-scale spatial gene expression in the human dorsolateral prefrontal cortex

中文题目：人类背外侧前额叶皮层空间表达图谱

期刊：nature neuroscience

IF：24.884

文献链接：https://international.biocloud.net/zh/article/detail/33558695

实验材料：3个志愿者脑组织，12张DLPFC切片，每个DLPFC切片由2对相邻的10um的切片组成，两对切片相隔300um。

研究背景：大脑的空间组织与其功能密切相关。这种结构-功能的关系在人类大脑皮层的层状组织中表现尤为明显，其中位于不同皮层细胞基因表达模式不同并表现出不同的形态、生理和连通性模式。在结构决定功能的程度上，理解正常的大脑发育以及中枢神经系统的紊乱，将需要识别组成大脑的细胞类型，并最终将单个细胞类别的功能与结构联系起来。

研究结论：作者使用10X Genomics Visium平台定义了人类前额叶皮质背外侧基因表达空间图谱。鉴定了大量层富集的marker基因。单细胞核转录组和空间转录组数据整合增强了细胞空间位置的注释。通过整合神经精神障碍基因集，显示层富集基因与精神分裂症和自闭症谱系障碍相关，突出了空间转录组表达的临床相关性。作者开发了一个数据驱动框架来定义空间转录组学数据中的无监督聚类，该框架可以应用于形态结构不像皮层那样良好的其他组织或大脑区域。最后作者建立了一个网页用于数据分享，以增强正在进行的神经科学和空间转录组学研究。

图1 DLPFC组织空间转录组学

2.

文献二

英文题目：Neuroinflammatory astrocyte subtypes in the mouse brain

中文题目：小鼠大脑神经炎性星形细胞亚型

期刊：nature neuroscience

IF：24.884

文献链接：https://international.biocloud.net/zh/article/detail/34413515

实验材料：脂多糖（LPS）和生理盐水（saline）处理的雄性和雌性小鼠进行scRNA-seq，共捕获79944个星形胶质细胞。3个LPS和saline小鼠大脑组织切片进行空间转录组。

研究背景：星形胶质细胞在感染、急性损伤和慢性神经退行性疾病后发生炎症转变。这种转变是如何受到时间和性别的影响，它在单细胞水平上的异质性，以及亚状态在大脑中的空间位置上如何分布，目前仍不清楚。

研究结论：在本研究中作者使用细菌细胞壁内毒素脂多糖研究小鼠皮质星形胶质细胞在急性炎症刺激后的转录组变化。发现星形胶质细胞的转录组变化发生在数小时内，随着时间的推移急剧变化。通过对约80000个星形胶质细胞进行单细胞测序，发现炎症引起广谱的反应，亚型星形胶质细胞经历了不同的炎症转变，并具有明确的转录组特征。利用空间转录组学和原位杂交技术将炎症诱导的反应性星形胶质细胞的关键亚状态锚定大脑区域。总之，数据集为分析星形胶质细胞异质性提供了强大的资源，并将有助于理解局部受限反应性星形胶质细胞亚状态的生物学重要性。

图2 单细胞转录组鉴定星形细胞亚群及空间转录组细胞定位

3.

文献三

英文题目：Molecular atlas of the adult mouse brain

中文题目：成年小鼠脑分子图片

期刊：Science advances

IF：13.116

文献链接：https://international.biocloud.net/zh/article/detail/32637622

实验材料：三只雄性小鼠（9周龄）的大脑

研究背景：在建立子区域及其边界的参考图以及确定神经元类型及其连接性的多样性方面，对成年大脑进行映射是探索定义动物行为多样性的脑回路的结构与功能关系的核心。实验神经科学依赖于重复准确地记录和操纵特定大脑区域中神经元亚型活动的能力，因此，基因靶向方法已被证明在针对细胞类型的靶向中极为有价值。

研究结论：作者基于全脑范围内ST模式的无监督分类建立了成年小鼠大脑的分子图谱。这种方法是一个在全脑范围内映射离散空间域的无偏方法，并且还利用空间信息开发分子方法以研究神经系统组织，引入了分子和空间代码进化保守性的能力，以及它们与生理学和病理学的关系。另外作者简化了大脑基因索引测试区域分类的能力，这些基因也足以将整个成年大脑映射到相关的子区域。这种方法从分子视角对全脑进行分类绘制图谱，并比较物种间脑区域分布的保守分子标记，可作为关键点为治疗脑部疾病提供新策略。

图3 空间转录组绘制全脑分子图谱

空间转录组在神经学方向研究思路

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文：TL

排版：市场部

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