2023年5月25日，中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院彭廣敦課題組在Nature methods上發表了題為Simultaneous profiling of spatial gene expression and chromatin accessibility during mouse brain development的研究論文。文章揭示了一種名為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，在保留細胞空間位置信息的前提下同時實現了細胞內ATAC和RNA兩種組學信息的捕獲，并成功將其應用在了胚胎期小鼠腦發育機制的研究中，不僅首次構建出了小鼠腦發育的時空多組學圖譜，同時也揭示了啟動子及增強子形成的順式調控元件在腦發育中的具體調控機制。
單細胞多組學技術已經可以實現一次性獲取同一細胞內的多個組學信息，但也伴隨著其空間位置信息丟失，空間組學技術技術不僅可以很好地保留細胞原位的空間位置信息，還可以同時捕獲細胞內的轉錄組信息。但是，目前的空間組學技術主要局限于單個組學信息的捕獲。如果能夠開發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字化人，將會極大的幫助我們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育。首先，研究人員驗證了MISAR-seq的數據質量，發現基于空間雙組學的ATAC及RNA數據與其相應單組學數據的質量接近甚至更好，每個單元數據點所檢測到的基因數大致在2500-3500之間。進一步和單細胞數據的整合分析顯示，該技術所捕獲到的腦細胞類型與相應單細胞的腦結構注釋也非常吻合。
接下來，研究人員將具有不同發育時期且包含兩種組學信息小鼠腦發育數據進行了整合分析，并開發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據的“橫向”與 “縱向”整合能力，從而繪制出了小鼠腦發育的時空多組學圖譜。結果發現，無論是單獨使用MISAR-seq ATAC或RNA數據，或者是同時使用兩種組學數據（Combined）進行空間聚類均能較好的進行腦區劃分，且聚類結果與Allen Brain Atlas的注釋均較為一致。
最后，基于已獲得的MISAR-seq數據，研究人員通過繪制兩種組學在皮層發育的空間和時間的軌跡，嘗試進一步解釋皮層發生過程中染色質開放與基因表達之間的級聯調控關系。研究人員發現Pax6-Eomes-Tbr1形成的直接級聯調控建立了小鼠皮層發生過程中基因表達的順序和區域特異性。這些結果表明，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，并且可以提供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能在空間分辨率以及三維組織解析上得到進一步的優化和拓展，且能夠兼容更多的組學信息，并基于此開發更好的空間多組學基因調控網絡分析工具，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。
研究團隊主要由來自中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院、生物島實驗室、廣州實驗室的人員組成。博士生江伏青，錢瑩瑩、朱淼及實習研究員周鑫等人為該論文的共同第一作者，彭廣敦研究員為論文的通訊作者。研究工作還得到了廣州實驗室崔桂忠研究員、昆明理工大學陳凱研究員的幫助。
圖1. MISAR-seq的數據質量
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
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