Science论文解读！揭示利用新开发的ExSeq测序技术高分辨率确定RNA在细胞中的位置

在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院和哈佛医学院的研究人员利用一种新的组织扩张技术，设计了一种方法，对组织样本中的信使RNA（mRNA）分子进行标记，然后对mRNA进行测序。相关研究结果发表在2021年1月29日的Science期刊上，论文标题为“Expansion sequencing: Spatially precise in situ transcriptomics in intact biological systems”。

图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.aax2656。

这种方法提供了一个独特的快照，可以了解哪些基因在细胞的不同部位表达，并可以让科学家们更多地了解基因表达如何受到细胞位置或其与附近细胞的相互作用的影响。该技术还可以用于绘制大脑或其他组织中的细胞，并根据它们的功能对它们进行分类。

论文共同通讯作者、麻省理工学院神经技术学教授Ed Boyden说，“基因表达是所有生物学中最基本的过程之一，它在所有健康和疾病相关的生物过程中发挥作用。然而，你需要知道的不仅仅是基因是否开启或关闭。你想知道基因产物的位置。你关心的是它们属于哪种细胞类型，它们在哪个细胞中起作用，甚至它们在细胞的哪个部分起作用。”

在这项研究中，这些研究人员发现，他们可以利用这种技术在小鼠大脑和人类肿瘤样本中对数千个不同的mRNA分子进行定位和测序。

组织扩张（tissue expansion）

这种新的测序技术建立在Boyden及其团队于2015年设计的一种方法上，用于扩张组织样本，然后对其进行成像。通过将吸水聚合物嵌入组织样本中，科学家们可以让组织样本膨胀，同时保持其整体结构的完整性。通过使用这种方法，组织可以膨胀100倍或更多，这使得科学家们可以使用普通的光学显微镜获得大脑或其他组织的非常高分辨率的图片。

2014年，哈佛医学院遗传学教授George Church及其团队开发了一种称为FISSEQ（荧光原位测序）的RNA测序技术，它可以在实验室培养皿里生长的细胞中对数千个mRNA分子进行定位和测序。Boyden团队和Church团队决定联合起来，将组织扩张和原位RNA测序结合起来，创造了一种新的技术，他们称之为扩张测序（expansion sequencing, ExSeq）。

在进行RNA测序前对组织进行扩张有两个主要好处：它提供了一个更高的分辨率来观察细胞中的RNA，并使得对这些RNA分子的测序变得更加容易。论文共同作者、麻省理工学院前研究生Adam Marblestone说，“当你在扩张的组织样本中分离这些分子，并将它们彼此之间移开，这为你提供了更多的空间来进行原位测序的化学反应。”

一旦组织扩张，这些研究人员就可以对组织样本中的数千个RNA分子进行标记和测序，其分辨率使他们不仅可以精确地确定这些分子在细胞内的位置，而且还可以精确地确定这些分子在树突等特定区室内的位置。树突是神经元的微小延伸，可以接收来自其他神经元的信号。

论文共同第一作者、麻省理工学院前博士后研究员Shahar Alon说，“我们知道RNA在这些较小区室中的位置对学习和记忆很重要，但是在此之前，我们没有任何方法来测量这些位置，这是因为它们非常小，为纳米量级。”

使用这种技术的“非靶向（untargeted）”版本，意味着这些研究人员不是在寻找特定的RNA序列，他们可以发现成千上万种不同序列。他们估计，在一个给定的样本中，他们可以对目前所有基因的20%到50%进行测序。

在小鼠海马体中，这种技术产生了一些令人惊讶的结果。首先，这些研究人员在树突中发现了含有内含子的mRNA，其中内含子是指通常在细胞核中经过编辑从mRNA中移除的RNA片段。他们还在树突中发现了编码转录因子的mRNA分子，这可能有助于树突到细胞核的新型通信形式。

论文共同第一作者、麻省理工学院研究生Daniel Goodwin说，“这些只是我们从未刻意去寻找的例子，但现在我们可以确定RNA在神经元中的确切位置，我们可以探索更多的生物学特性。”

细胞之间的相互作用

这些研究人员还发现，他们可以以更有针对性的方式探索基因表达，寻找与感兴趣的基因相对应的一组特定RNA序列。在小鼠的视觉皮层中，他们利用这种方法，根据对表达的42个不同基因的分析，将神经元分为不同的类型。

这种技术也可以用于分析许多其他类型的组织，比如肿瘤活检样本。在这篇论文中，这些研究人员研究了乳腺癌转移瘤，它含有许多不同的细胞类型，包括癌细胞和免疫细胞。这项研究显示，这些细胞类型可以根据它们在肿瘤内的位置而作出不同的表现。比如，他们发现，靠近肿瘤细胞的B细胞比远离肿瘤细胞的B细胞更高水平地表达某些炎症基因。

论文共同第一作者、麻省理工学院研究生Anubhav Sinha说，“肿瘤微环境已经在许多不同的背景下研究了很长时间，但很难深入研究它。癌症生物学家可以给你一个20或30个标志基因的列表，这些标志基因将识别组织中的大多数细胞类型。在这项研究中，鉴于我们在样本中研究了297种不同的RNA转录物，我们可以提出并回答有关基因表达的更具体的问题。”

这些研究人员如今计划进一步研究癌细胞和免疫细胞之间的相互作用，以及健康和疾病状态下大脑中的基因表达。他们还计划扩展他们的技术，使他们能够在绘制RNA的同时绘制其他类型的生物分子，如蛋白。

参考资料：
1.Shahar Alon et al. Expansion sequencing: Spatially precise in situ transcriptomics in intact biological systems. Science, 2021, doi:10.1126/science.aax2656.
2.A high-resolution glimpse of gene expression in cells
https://phys.org/news/2021-01-high-resolution-glimpse-gene-cells.html

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