單細(xì)胞多組學(xué)，特別是染色質(zhì)可及性表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄組同時(shí)測(cè)序分析，可以不僅鑒別細(xì)胞類型和狀態(tài)同時(shí)還可以揭示控制基因表達(dá)的機(jī)理 – 常常被認(rèn)為是單細(xì)胞組學(xué)分析的終極利器。隨著近年來(lái)空間組學(xué)的興起， 空間多組學(xué)技術(shù) (spatial multi-omics)是否也可以同時(shí)分析基因表達(dá)和基因調(diào)控機(jī)制?這成為了大家一致期待的新一代革命性組學(xué)工具。空間多組學(xué)在2022年更是被Nature雜志展望為為最值得期待的七個(gè)技術(shù)之一。

　　2020年底，耶魯大學(xué)的樊榮教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了利用組織樣本原位編碼方法同時(shí)分析空間轉(zhuǎn)錄組和蛋白組(DBiT-seq)。在表觀遺傳組領(lǐng)域，樊榮教授團(tuán)隊(duì)在2022年開發(fā)了兩種空間表觀遺傳測(cè)序新技術(shù)(Spatial-ATAC-seq和Spatial-CUT&Tag)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因表達(dá)機(jī)制方面的高空間分辨率分析。2023年2月23日，樊榮教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的空間轉(zhuǎn)錄組和蛋白組新技術(shù)Spatial-CITE-seq，實(shí)現(xiàn)了高通量(約200–300)蛋白和轉(zhuǎn)錄組同時(shí)分析。為了進(jìn)一步研究調(diào)控基因表達(dá)的表觀遺傳機(jī)制，需要對(duì)空間表觀組和轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行同時(shí)分析。因此如果空間分辨的表觀遺傳組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合測(cè)序分析技術(shù)(spatial epigenome–transcriptome co-sequencing)能夠?qū)崿F(xiàn)，將會(huì)成為復(fù)雜組織生物學(xué)研究的一個(gè)終極利器， 其用途幾乎涉及生物醫(yī)學(xué)的所有重要領(lǐng)域。

　　2023年3月15日，耶魯大學(xué)樊榮教授團(tuán)隊(duì)和卡羅林斯卡學(xué)院Gonçalo Castelo-Branco教授團(tuán)隊(duì)合作，在Nature期刊發(fā)表了題為：Spatial epigenome–transcriptome co-profiling of mammalian tissues的研究論文。

　　除了成功實(shí)現(xiàn)整個(gè)領(lǐng)域期待的在同一組織樣品上實(shí)現(xiàn)總體染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)的聯(lián)合空間組學(xué)分析(Spatial ATAC–RNA-seq)，該研究還同時(shí)報(bào)道了三個(gè)特定的組蛋白修飾和基因表達(dá)的聯(lián)合分析(Spatial CUT&Tag–RNA-seq)。和單細(xì)胞數(shù)據(jù)整合顯示這些技術(shù)達(dá)到了細(xì)胞水平或近單細(xì)胞分辨率。

　　這項(xiàng)工作能夠在空間和全基因組水平上觀察表觀遺傳機(jī)制如何在組織中控制轉(zhuǎn)錄表型和細(xì)胞動(dòng)態(tài)，揭示組織結(jié)構(gòu)中空間表觀遺傳啟動(dòng)、分化和基因調(diào)控的新見解。該技術(shù)將在生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域引起廣泛興趣。

　　在研究中，對(duì)Spatial ATAC–RNA-seq技術(shù)，研究人員使用甲醛固定的冰凍組織切片，首先用預(yù)裝有DNA adapter的Tn5轉(zhuǎn)座酶復(fù)合物進(jìn)行處理，隨后將同一組織切片在包含生物素，連接序列和poly-T的DNA adapter中孵育以啟動(dòng)逆轉(zhuǎn)錄。之后，在組織切片上依次放置兩個(gè)方向垂直的微流控芯片，分別引入空間編碼Ai(i=1−50或100)和Bj(j=1−50或100)，從而形成一個(gè)二維的、由空間編碼定義的組織像素網(wǎng)格，每個(gè)像素點(diǎn)由Ai和Bj編碼(總編碼像素?cái)?shù)=2500或10000)。最后，組織在反向交聯(lián)后釋放編碼的cDNA和基因組DNA(gDNA)片段，將cDNA使用鏈霉親和素珠富集，gDNA片段保留在上清液中。分別構(gòu)建gDNA和cDNA的文庫(kù)用于下一代測(cè)序。對(duì)Spatial CUT&Tag–RNA-seq，將特定組蛋白修飾(H3K27me3、H3K27ac或H3K4me3組蛋白修飾)的抗體應(yīng)用于組織切片，隨后使用protein A連接的Tn5-DNA復(fù)合物進(jìn)行CUT&Tag實(shí)驗(yàn)，剩余步驟與spatial ATAC–RNA-seq類似，最終得到組織中組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄組的空間共同分析結(jié)果。

　　對(duì)小鼠胚胎(E13)進(jìn)行Spatial ATAC–RNA-seq分析，通過表觀遺傳組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)均能成功分辨小鼠胚胎各個(gè)器官。為了研究胚胎發(fā)育中染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)之間的時(shí)空關(guān)系，研究分析了從radial glia到postmitotic premature neurons的分化軌跡。表明spatial-ATAC-RNA-seq 技術(shù)可用于解析組織發(fā)育過程中的基因調(diào)控機(jī)制和時(shí)空動(dòng)態(tài)。

　　對(duì)產(chǎn)后22天小鼠大腦進(jìn)行Spatial ATAC–RNA-seq和Spatial CUT&Tag–RNA-seq分析，通過提高編碼數(shù)量到100，實(shí)現(xiàn)對(duì)幾乎整個(gè)小鼠半腦的空間表觀遺傳組和轉(zhuǎn)錄組共同分析。通過聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)在某些小鼠大腦組織區(qū)域中，某些基因的表觀遺傳特征隨著發(fā)育而持續(xù)存在，但基因表達(dá)卻不同。聯(lián)合分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳調(diào)控與基因表達(dá)在幼鼠大腦不同區(qū)域中存在預(yù)期之外的相互關(guān)系，并且不同表觀遺傳特征可以通過相互合作來(lái)調(diào)控基因表達(dá)。

　　空間分辨表觀遺傳組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析技術(shù)Spatial ATAC–RNA-seq和Spatial CUT&Tag–RNA-seq，代表了空間生物學(xué)中獲得信息最為豐富的工具之一，可以預(yù)見其在生物醫(yī)學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中均能得到廣泛應(yīng)用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，樊榮教授團(tuán)隊(duì)希望將該技術(shù)應(yīng)用于各種組織類型，并生成表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的空間圖譜。據(jù)悉，樊榮教授團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)更多空間組學(xué)新技術(shù)， 同時(shí)致力于將這些新技術(shù)用于腦科學(xué)，癌癥，衰老和免疫等廣泛的生物醫(yī)學(xué)研究課題。

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