5月25日，中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院彭廣敦課題組在《自然-方法》（Nature methods）上，發(fā)表了題為Simultaneous profiling of spatial gene expression and chromatin accessibility during mouse brain development的研究論文。該研究開發(fā)了一種名為MISAR-seq的空間多組學技術（Microfluidic indexing-based spatial assay for ATAC and RNA-sequencing）。該技術通過微流控芯片依賴的靶向barcode遞送系統(tǒng)，在保留細胞空間位置信息的前提下同時實現(xiàn)了細胞內ATAC和RNA兩種組學信息的捕獲，并將其應用在胚胎期小鼠腦發(fā)育機制研究中，首次構建了小鼠腦發(fā)育的時空多組學圖譜，并揭示了啟動子及增強子形成的順式調控元件在腦發(fā)育中的具體調控機制。

單細胞多組學技術可實現(xiàn)一次性獲取同一細胞內的多個組學信息，但伴隨著其空間位置信息丟失，空間組學技術可以很好地保留細胞原位的空間位置信息，并可以同時捕獲細胞內的轉錄組信息。然而，目前的空間組學技術主要局限于單個組學信息的捕獲。若能開發(fā)出一種在同一組織中同時捕獲多個組學信息的空間多組學技術，將其用于捕獲人體內的所有細胞，并構建出單細胞分辨率的三維數(shù)字化人，將會幫助科學家解析人類細胞的時空譜系及相關調控機制，從而更好的服務于人體衰老和疾病的治療。

MISAR-seq具有同時在一個空間位置樣本上分析RNA與ATAC信息的能力。因此，研究人員特別關注了E11.0、E13.5、E15.5及E18.5的多個胚胎期小鼠腦的發(fā)育。研究人員驗證了MISAR-seq的數(shù)據(jù)質量，發(fā)現(xiàn)了基于空間雙組學的ATAC及RNA數(shù)據(jù)與其相應單組學數(shù)據(jù)的質量接近甚至更好，且每個單元數(shù)據(jù)點所檢測到的基因數(shù)大致在2500-3500之間。該研究進一步和單細胞數(shù)據(jù)的整合分析顯示，這一技術所捕獲到的腦細胞類型與相應單細胞的腦結構注釋非常吻合。

進一步，科研人員將具有不同發(fā)育時期且包含兩種組學信息小鼠腦發(fā)育數(shù)據(jù)進行整合分析，并開發(fā)了基于空間位置限制與圖像特征提取結合的生物信息學工具，有效提高了不同組學在多個不同時期點之間數(shù)據(jù)的“橫向”與 “縱向”整合能力，從而繪制出小鼠腦發(fā)育的時空多組學圖譜。結果發(fā)現(xiàn)，無論是單獨使用MISAR-seq ATAC或RNA數(shù)據(jù)還是同時使用兩種組學數(shù)據(jù)（Combined）進行空間聚類，均能較好的進行腦區(qū)劃分，且聚類結果與Allen Brain Atlas的注釋均較為一致。

基于已獲得的MISAR-seq數(shù)據(jù)，研究人員通過繪制兩種組學在皮層發(fā)育的空間和時間的軌跡，嘗試進一步解釋皮層發(fā)生過程中染色質開放與基因表達之間的級聯(lián)調控關系。研究發(fā)現(xiàn)，Pax6-Eomes-Tbr1形成的直接級聯(lián)調控建立了小鼠皮層發(fā)生過程中基因表達的順序和區(qū)域特異性。這表明多組學的時空軌跡分析可以較好的預測決定細胞命運的重要驅動元件，并可以提供TF的具體相互作用模式，從而對諸如皮層等復雜結構的形成施加精確的調控。

下一步，研究人員期待MISAR-seq可在空間分辨率以及三維組織解析上得到進一步的優(yōu)化和拓展、能夠兼容更多的組學信息，并基于此開發(fā)更好的空間多組學基因調控網(wǎng)絡分析工具，從而揭示驅動結構復雜組織中細胞身份和功能決定的具體機制。

該工作由廣州健康院、生物島實驗室、廣州實驗室合作完成。

論文鏈接

圖1. MISAR-seq的數(shù)據(jù)質量

圖2. E11.0, E13.5, E15.5 和E18.5小鼠腦的空間基因表達、染色質可及性以及結合二者的空間圖譜