无测序的全基因组空间转录组学在单分子分辨率下的应用

Sequencing-free whole-genome spatial transcriptomics at single-molecule resolution.

作者信息Yubao Cheng, Shengyuan Dang, Yuan Zhang, Yanbo Chen, Ruihuan Yu, Miao Liu, Shengyan Jin, Ailin Han, Samuel Katz, Siyuan Wang
PMID41038164
期刊Cell
发布时间2025-11-26
DOI10.1016/j.cell.2025.09.006

实验完整度

高

包含体外细胞系、三种小鼠组织模型及CRISPR筛选,有多层独立证据和功能机制验证。

主要模型

A549细胞系 小鼠肝脏组织切片 小鼠胎盘组织切片 小鼠淋巴结组织切片

重点核对

RAEFISH与RNA-seq的相关性系数 生物学重复间的相关性系数 细胞分割后的RNA分子数和基因数 探针文库编码方案和检测效率 CRISPR筛选的gRNA检出率和细胞主导gRNA比例

摘要

近期空间转录组学技术的突破增强了我们对多种细胞身份、空间组织和功能的理解。然而,现有的空间转录组学工具在转录组覆盖范围或空间分辨率上仍存在局限,阻碍了在高空间分辨率下进行无偏、无假设的转录组分析。在此,我们开发了反向锁式扩增子编码荧光原位杂交(RAEFISH),一种基于图像的空间转录组学方法,具有全基因组覆盖和完整组织中单分子分辨率的特点。我们展示了单细胞和组织切片中23,000个人类或22,000个小鼠转录本的空间分析。我们的分析揭示了转录本特异性亚细胞定位、细胞类型特异性和细胞类型不变的分区依赖性转录组,以及优先细胞-细胞相互作用背后的基因程序。最后,我们进一步开发了该技术,用于在基于图像的高内涵CRISPR筛选中间接读取gRNA的空间读出。总体而言,这些进展提供了一种广泛适用的技术,能够在许多生物医学背景下对长和短、天然和工程RNA进行高覆盖、高分辨率的空间分析。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何实现全基因组覆盖且单分子分辨率的空间转录组分析,并直接读取CRISPR筛选中的gRNA?
核心机制
RAEFISH通过反向锁式探针和线性引发探针邻近杂交触发滚环扩增,结合编码探针和MERFISH解码,实现高通量RNA检测;Perturb-RAEFISH直接靶向gRNA间隔序列进行读出。
主要证据
在A549细胞、小鼠肝脏、胎盘和淋巴结组织中验证了RAEFISH的检测效率与重复性,并在CRISPR筛选中实现了gRNA的直接读出和扰动效果分析。
研究意义
RAEFISH提供了一种广泛适用的工具,可在多种生物医学背景下进行高覆盖、高分辨率的空间转录组分析,并支持基于图像的高内涵CRISPR筛选。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

RAEFISH探针设计与文库构建

实现全转录组覆盖的探针库经济合成

设计反向锁式探针、线性引发探针和编码探针,通过寡核苷酸池扩增策略合成探针文库。

2

细胞和组织样本制备与杂交

将RAEFISH应用于培养细胞和组织切片

固定、透化样本,进行预杂交、主杂交、连接、滚环扩增和编码探针杂交。

3

多轮荧光杂交与成像

解码RNA身份

进行47轮双色读出探针杂交和成像,每轮后洗脱信号。

4

图像解码与数据分析

识别RNA分子并分析空间分布

采用基于像素的解码策略,结合细胞分割和聚类分析。

5

Perturb-RAEFISH CRISPR筛选

在CRISPR筛选中直接读出gRNA

构建A549 CRISPR敲除文库,设计靶向gRNA的RAEFISH探针,进行7轮成像解码gRNA,并用MERFISH检测内源RNA。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
F-12K培养基Corning10-025-CV
胎牛血清VWR97068-091
青霉素-链霉素Thermo Fisher Scientific15140122
DMEM培养基Thermo Fisher Scientific10569-010
GlutaMAX-I添加剂Thermo Fisher Scientific10569-010
MEM非必需氨基酸Thermo Fisher Scientific11140-050
O.C.T.包埋剂Sakura4583
杜尔贝科磷酸盐缓冲液Sigma-AldrichD8537-500ML
Triton X-100溶液Sigma-Aldrich93443
20×SSC缓冲液Invitrogen15557-044
甲酰胺Sigma-AldrichF7503-1L
Tween 20SigmaP7949-500ML
鼠RNase抑制剂New England BiolabsM0314L
T4 DNA连接酶Thermo Fisher ScientificEL0011
Hi-T4 DNA连接酶New England BiolabsM2622L
ATP溶液Thermo Fisher ScientificR0441
重组白蛋白New England BiolabsB9200S
Phi29 DNA聚合酶Thermo FisherEP0092
脱氧核苷酸溶液混合物New England BiolabsN0447S
硫酸葡聚糖Sigma-AldrichD8906-50G
酵母tRNAInvitrogenAM7119
黄绿色基准珠InvitrogenF8803
二脒基-2-苯基吲哚Thermo Fisher Scientific62248
CF568标记的琥珀酰亚胺酯Biotium92131
Maxima H Minus逆转录酶Thermo Fisher ScientificEP0752
FastDigest Esp3I限制酶Thermo Fisher ScientificFD0454
嘌呤霉素Thermo Fisher ScientificA1113803
RNeasy迷你试剂盒QIAGEN74104
KAPA RNA HyperPrep试剂盒(含RiboErase)RocheKR1351
盖玻片Bioptech40-1313-0319

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞和组织样本制备
固定时间、透化时间、杂交温度和时间
阅读提示:STAR Methods中RAEFISH protocol for A549 endogenous transcriptome和RAEFISH protocol for mouse tissue
探针设计和文库构建
探针序列、编码方案、探针浓度
阅读提示:STAR Methods中Probe design和Probe synthesis,以及Table S1
多轮成像和解码
成像轮数、曝光时间、解码阈值
阅读提示:STAR Methods中Sequential secondary probe hybridization and imaging和Image analysis
CRISPR筛选
gRNA文库覆盖度、Cas9诱导条件、筛选时间
阅读提示:STAR Methods中CRISPR screen library construction和Perturb-RAEFISH protocol in A549 cells
细胞分割和数据分析
分割算法参数、聚类方法、统计检验
阅读提示:STAR Methods中Cell segmentation和QUANTIFICATION AND STATISTICAL ANALYSIS