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时空转录组

Stereo-seq是华大自主研发发布的时空转录组技术,助力生老病死、意识起源、万物生长、生命起源等重大科学问题的研究与应用,推动生命科学领域第三次科技革命。自2022年以来,华大凭借Stereo-seq技术陆续在CellNatureScience三大顶级学术期刊发表胚胎发育、疾病、器官再生等领域的重要成果,并入选“中国生命科学十大进展”和“中国生物信息学十大进展”。

Stereo-seq技术具有纳米级分辨率、厘米级全景视场的原位捕获,可以实现同一样本在组织、细胞、亚细胞、分子“四尺度”同时进行空间转录组分析。该技术通过时空芯片捕获组织中的mRNA,并通过空间条形码(Coordinate lD, CID)还原回空间位置,实现组织原位测序,为深入地了解细胞的基因表达及形态与局部环境之间的关系建立强大的研究基础。


应用领域

  • 疾病研究:细胞异质性及其空间结构对疾病的发生发展和治疗至关重要
  • 发育研究:在空间上解析细胞类型及其相互作用是发育研究的基础
  • 器官研究:细胞类型及其空间结构是研究器官功能及相关疾病的重要基础
  • 演化研究:利用空间转录组技术理解器官在细胞水平的进化过程


产品优势

1. 更高 · 分辨率

Stereo-seg技术将认识生命空间表达的分辨率提高到500 nm的亚细胞层级;可以通过图像识别细胞核位置,并结合算法实现单个细胞及分子信息的空间定位和检测;也可通过binning的方式,识别组织中的不同功能区域。

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2. 更大 · 全景视场

Stereo-seg的常规芯片大小为1 cm*1cm,最大可拓展至13 cm*13 cm,多尺寸时空芯片方案能极大地提升捕获面积利用率。

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实验流程

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1. 样品制备:对OCT包埋组织,进行切片及 RNA 质量评估后,切片再将切片贴到时空芯片;

2. 组织透化:将铺贴到芯片上的组织进行切片固定和渗透。时空芯片上布置有空间捕获探针,能与组织细胞释放的mRNA 分子结合,从而在芯片上抓取目标样本组织细胞的 mRNA 分子,并合成cDNA;

3. 文库制备及测序:cDNA合成后构建测席文库,用华大自主研发的国产化超高通量的测序仪完成测序;

4. 数据分析:针对下机数据进行质控,并完成全套分析,最终得到目标样本组织细胞在空间位置上表达的基因信息。


项目执行周期

4个样品标准流程(建库,测序和SAW分析)的正常周期约为25个工作日;但由于前期样品处理(切片、染色、透化)步骤需反复沟通该周期不会记入项目执行周期。


测序建议

  • 测序平台:DNBSEQ平台
  • 测序读长:PE100
  • 数据量推荐:正式实验执行样品建议交付数据:1G clean reads,Q30>80%


【发育研究】

案例一  Stereo-seq绘制小鼠胚胎发育时空图谱 

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文章题目:Spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse organogenesis using DNA nanoball-patterned arrays

发表期刊:Cell

影响因子:66.850

发表时间:2022年5月4日

Dol:10.1016/i.cell.2022.04.003 


研究成果:

将DNA纳米球模式阵列与原位RNA捕获相结合,开发了时空组学技术 Stereo-seq,以期深入了解发育中组织(如背侧中脑)的空间细胞异质性和细胞命运分化的分子基础。

1. 利用 Stereo-seq 技术,描述了小鼠胚胎发育中晚期的器官发育基因的空间表达模式以及器官发育的轨迹,构建了小鼠器官发生时空转录组数据库 (MOSTA,https://db.cngb.org/stomics/mosta/);

2. 获取了E16.5小鼠全胚胎具有空间位置的单细胞时空转录组信息,并在同一张切片上鉴定了4种上皮细胞亚型和6种成骨细胞亚型的空间分布情况,描述了前脑的抑制性神经元从内侧神经节降起至皮层的迁移轨迹;

3. 利用 Stereo-seq 构建的小鼠中晚期的胚胎时空转录组图谱,描述了人类发育缺陷相关 1,959 个基因在小鼠胚胎中表达模式。


【再生研究】

案例二  Stereo-seq鉴定端脑再生过程中的重要神经干细胞亚型

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文章题目:Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration

发表期刊:Science

发表时间:2022年9月2日

影响因子:63.714

DOl: 10.1126/science.abp9444


研究成果:

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应用 Stereo-seq 技术首次构建了蛛端脑结构,绘制了蝶端脑整个发育和损伤再生过程中原位单细胞分辨率的基因表达图谱和细胞空间动态变化图谱,为研究脑再生的分子机制奠定了基础。

1. 有一种神经干细胞亚型在蝶端脑再生过程中早期被激活,在再生中后期进行大量增殖,推测此神经干细胞亚型是参与伤口愈合反应的主要细胞群,并转化为损伤缺失的神经元;

2. 蝶的脑再生可能通过具有相似的机制分子调控干/ 祖细胞的分化,部分再现脑发育过程中的神经发生;

3. 蝶端脑空间转录组图谱数据可从 https://db.cngb.org/stomics/artista 开放获取。


【肿瘤研究】

案例三  Stereo-seq 揭示人类肝癌浸区促进肝细胞-肿瘤细胞串扰、局部免疫抑制和肿瘤进展

文章题目:An Invasive Zone in Human Liver Cancer Identified by Stereo-seq Promotes Hepatocyte–Tumor Cell Crosstalk, Local Immunosuppression and Tumor Progression

发表期刊:Cell Research

发表时间:2023年6月19 日

影响因子:44.100

DOl: 10.1038/s41422-023-00831-1


研究成果:

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基于 Stereo-seq 和 SCRNA-seq,该研究揭示了人类肝癌肿瘤侵袭前沿特征,为开发肝癌和其他实体肿瘤的新治疗策略铺平了道路。

1. 定义了 500 µm 的侵袭前沿,为手术切除切缘提供理论依据;

2. 系统地揭示了肝癌侵袭前沿肿瘤细胞-干细胞-巨细胞三者相互作用构建的免疫抑制微环境;

3. 前沿损伤肝细胞特征与原发及继发肝癌临床不良预后显著相关,可作为潜在预后标记物。


生信分析工具

Stereo-seq分析流程软件包(Stereo-seq Analysis Workflow, SAW)整合了时空组学技术 Stereo-seq 主要的基因表达分析和图像数据处理工具,用于还原及可视化测序数据在芯片上的空间表达信息。Stereo-seq原始测序数据经 SAW流程处理后,得到可以用于下游生信分析的空间表达数据。

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主要功能

  • 还原 reads 空间位置: 利用空间特异性条形码 CID 序列作为媒介,将测序 reads 映射回它们在组织中的原始空间位置;
  • 获取表达矩阵:还原回组织中空间位置的 reads 通过比对、注释、过滤矫正和去重等一系列操作,得到每个基因在空间中的分布和表达,生成空间基因表达矩阵。在分析过程中,Stereo-seq 的亚细胞级高分辨率数据可以通过合并多个单元格形成不同大小的“箱(bin)”,来和其他模态的数据进行联合分析;
  • 图像识别、分割和配准:图像分析模块将显微镜拍照图像和空间表达矩阵进行对齐配准,利用深度学习模型,从显微镜拍照影像图中识别出组织和细胞,并进行分割。图像的识别和分割映射到空间表达矩阵后,便可以获取组织区域内或以细胞为单位的空间表达矩阵。

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图1 空间基因表达分布统计(bin200)


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图2 基因比对reads分布统计


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图3 组织覆盖聚类统计(bin200)


样品要求

1. OCT 包埋的新鲜组织;

2. 建议组织离体 30 分钟内包埋,或速冻 -80℃保存;

3. 标准芯片所包埋组织大小:1cm*1cm*2cm(X*Y*Z,X*Y 为切面);

4. 更详细具体的内容请参考时空组学送样建议。


组织样品处理原则

1. 尽量避免组织内部 RNA 降解;

2. 样本处理需保持组织原有结构;

3. 样本处理不影响后续实验操作。


样品运输要求

1. 包埋后的组织用锡箔纸包好,放入密封袋中密封并放入样本盒中 -80C保存;

2. 寄送使用干冰运输,确保干冰充足,以运输 24h 计为 N,按消耗(N+0.5)X 5kg 计算送所需的干冰用量;

3. 寄送样本前需填写《时空组学样本信息收集表》,将组织在包埋盒中的照片以及组织、切面等标记的照片附在《时空组学样本信息收集表》中。



深圳华大科技(总部)

电话:400-706-6615
邮箱:info@genomics.cn

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