Science前沿：空间组学为新一代科学发现赋能

原创 集智编辑部 集智俱乐部

关键词：空间组学，多组学，三维空间组学，时空组学

论文题目：The dawn of spatial omics
期刊名称：Science
斑图地址：https://pattern.swarma.org/paper/55e300b4-3254-11ee-bd9b-0242ac17000d
期刊地址：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abq4964

背景

所有生物学现象都发生在空间中。在生物体内，细胞必须在三维结构的组织中相互作用和组装。对于决定疾病发生时组织如何行使功能或者失效，每个细胞的位置和它的固有特性一样重要。

最近科学家发明了许多技术，可以在不将细胞从自然环境移出的情况下对其进行分析，测量基因表达和细胞基因组的调控结构，同时考虑其在组织内的空间位置。这篇综述描述了这些方法的特点，统称为空间组学（spatial omics）。在空间组学中，分子参数在完整的组织样本上原位测量。正如单细胞测序为许多生物学领域带来变革一样，空间组学将为新一代科学发现赋能。

如今，大量新技术能够实现基因和蛋白质表达、基因突变、表观遗传标记、染色质结构和基因组组织的空间分析。这些方法中大部分可以追溯到传统技术，如免疫组织化学（immunohistochemistry）和原位杂交，或者通过将空间坐标转化为序列条形码来利用下一代测序通量。

空间组学技术可以在分辨率、敏感性和通量非常不同的水平上运作。在采用的便利性、适用于不同样本类型的兼容性、商业可用性、前期投资和每个样本的成本方面也存在显著差异。在这样一个丰富且不断发展的领域中，选择最佳技术来应对特定的生物学挑战，仔细权衡每种技术的优势和劣势，至关重要。

进展

在过去几年里，空间分子分析领域已经成熟。当前的 RNA 分析技术允许对厘米级样本的基因表达进行空间测量，很多情况下甚至能够达到单细胞分辨率。定向方法可以量化数千个转录本，包括那些非常稀有的转录本，而无定向协议可以进行转录组范围的分析，甚至检测基因异构体和突变，覆盖范围接近解聚的单细胞方法。

基于质谱或荧光成像的多重免疫组织化学协议，同样可以用于对各种样本上的数十到数百个蛋白标记进行分析。最近的研究报道了其他类型分子信息的恢复方法，包括数千个位点的基因组组织的空间分析、开放性染色质和表观遗传标记，以及无定向原位 DNA 测序。

同时捕获多个信息来源的多组学技术也正在逐渐出现。随着这些方法变得更加可靠并广泛应用，越来越清楚的是，空间组学将会对许多生物学问题的阐明做出重要贡献，这在从肿瘤学（如肿瘤异质性和微环境研究）到神经科学和有机体发育等广泛的领域范围都有突出的例子。

展望

空间组学领域的未来发展趋势需要在三个主要领域进行：（i）多组学，即同时测量不同参数（例如DNA、RNA和蛋白质）；（ii）增加获取和普及性，使技术变得更加易得、更加可靠和更加稳健；（iii）改进的分析框架。随着技术的不断演进，需要将更多注意力集中在数据分析和实验设计上。空间组学技术能够在单个实验中生成数太字节的数据，这在数据处理、分析和可视化方面带来了巨大挑战。统计方法和用于样本复制、研究设计和批次校正的指南尽管迅速发展，但仍然落后。最后，我们预见空间组学很可能会向三维空间组学（在整个器官甚至有机体上进行操作）和时空组学（spatial-temporal omics，在体内多次进行测量）演进，为生物学的工具箱增添更强大且令人兴奋的工具。

图. 空间组学方法通过四个主要步骤，对组织的分子组成进行分析，保留其空间结构。
（A）检测。寡核苷酸探针或修饰的抗体与特定的核酸、蛋白质或小分子结合。或者，酶过程可以以无定向方式检测RNA（逆转录）或 DNA（标记化）。可以同时分析单一或多种类型的生物分子。 （B）鉴定。生物分子可以直接通过下一代测序或质谱进行鉴定，或者通过检测探针上的单个标签进行间接鉴定，可以一次或依次读取（组合条形码）。 （C）测量。基于成像的方法测量荧光探针的信号强度，或计算每个区域的斑点数量（单分子定位方法）。基于测序的方法通过标准化读数或使用唯一的分子标识符（UMIs）量化生物分子的丰度。（D）定位。生物分子可以直接在基于成像的方法中分配到其空间位置，或通过测序解码的 DNA 条形码分配。这些技术在空间分辨率、敏感性以及可以进行分析的区域数量和大小方面存在广泛差异。

编译｜梁金

原标题：《Science 前沿：空间组学为新一代科学发现赋能》

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