就如何获得空间信息而言,目前的技术大致分为五类:感兴趣区域(ROI)选择、smFISH、原位测序(ISS)、具有空间条形码的高通量测序(NGS)以及不需要先验空间位置的方法。
空间位置可以通过选择和分离已知位置和形状的ROI来获得。这可以通过物理和光学标记ROI进行分离。分离出的ROI可以用互补DNA(cDNA)微阵列或RNA测序(RNA-seq)进行分析,或解离成单细胞进行scRNA-seq。
物理显微切割包括LCM、2000s voxelation和Tomo-seq。自1999年以来,迄今为止使用最广泛的显微切割技术是LCM,它已被用于生物各领域,如肿瘤学、神经科学、免疫学、发育生物学和植物学。结合LCM和Tomo-seq,3D中的空间转录组可以像Geo-seq一样进行分析,尽管空间分辨率有限。一种创新的物理显微解剖方法是STRP-seq,它将相邻的组织切片以不同角度切成条状,并以基于射线的计算机断层扫描算法为灵感,在3D中重建基因表达模式。人工解剖通常被用来沿着植物的一个空间轴线剖析基因表达。
光学标记的ROI包括NICHE-seq,SPACECAT、ZipSeq、GeoMX等。
从时间上看,当前时代开发的下一项技术是高度复用的单分子FISH(smFISH),它始于2012年的原型(seqFISH),依靠超分辨率显微镜(SRM),通过将不同颜色的探针与转录本杂交,同时对酵母中的32个基因进行分析,然后推断出存在颜色的相对位置。现在不再需要SRM了;2014年,seqFISH发表了一篇文章,在这篇文章中,每轮杂交中每个基因都会显示一种颜色,在下一轮杂交之前,探针会被剥离,以获得条形码中的下一种颜色。同一基因的所有转录本都有相同的条形码。四种颜色和8轮杂交(48=65,536)足以编码人类或老鼠基因组中的所有基因。在实践中,会进行一轮纠错杂交,因此,如果一轮杂交的信号缺失,基因仍然可以被区分出来。
最近,在一个基于RNA序列探测目标(RNA SPOTs)的seqFISH版本中,“颜色”本身是一个由杂交序列热编码的颜色,将调色板扩展到每个通道20个“颜色”,并能够分析10000个基因。
另一种smFISH技术是MERFISH,它使用不同的条形码策略,其中每个基因都由二进制代码编码。由于只有荧光团被去除,而探针没有被剥离,MERFISH的无数轮杂交比seqFISH的杂交耗时更少。大多数其他基于smFISH的技术,如HybISS和split-FISH,使用类似seqFISH或MERFISH的条形码。
ISS 方法通过测序产生空间转录组信息,通常通过连接 (SBL)、基因条形码(靶向)或 cDNA 的短片段(非靶向)在原位进行测序。2013年的ISS(后来由Cartana商业化)将寡核苷酸连接在RNA扩增上进行多路并行原位分析(BOLORAMIS),每个探针使用一个查询库,就像在组合探针锚连接(cPAL)中那样,对基因条形码进行测序。荧光原位测序 (FISSEQ) 和后来对 ExM 的改进(称为 ExSeq),使用 SOLiD,每个探针使用两个查询碱基来对环化和 RCA 扩增的 cDNA 进行测序。STARmap通过动态退火和连接(SEDAL)减少错误的测序对基因条形码进行测序。BAR-seq也使用基因条形码放大探针,但使用合成测序(SBS)代替SBL对条形码进行测序。
转录物的空间位置也可以通过在原位阵列上捕捉组织切片的转录物来保存。这种阵列可以通过在商业微阵列载玻片上打印点条形码、唯一分子标识符(UMI)和poly-T寡核苷酸来制备,以捕获多聚腺苷化转录物,如空间转录组(ST)和Visium技术。它们也可以是具有分池条形码、UMI 和poly-T寡核苷酸的 Drop-seq 样珠子,以单层的形式分布在载玻片上(如Slide-seq)或限制在载玻片蚀刻的孔中(如HDST),随后使用原位 SBL 定位珠条形码。另外,在DBiT-seq中,微流控通道生成阵列,用于在一个方向上沉积一种条形码,然后在垂直方向上沉积另一种条形码,将正交条形码连接起来,这样每个点都可以用唯一的成对组合来识别。NGS条形码技术通常用于Illumina的3 '端测序,而Visium已经用于Nanopore的长读测序。
NGS条形码技术已被应用于大面积的组织。然而,它们不具备单细胞的空间分辨率。常用的Visium的斑点为六边形阵列,中心距100µm,直径55μm。Slide-seq的珠子直径为10μm,HDST为2μm。Slide-seq和HDST使用的珠子尺寸小于单细胞,但它们不一定能提供单细胞的分辨率,因为一个珠子可以跨越两个或多个细胞。DBiT-seq的分辨率由通道宽度决定(50、25或10μm)。最近,斑点大小可以减少到1μm以下,RCA扩增的DNA纳米球直径小到0.22μm,斑点条码沉积在Stereo-seq中间隔0.5或0.715μm的孔中,以及Seq-Scope聚合酶克隆(polonies),空间条形码中心对中心约0.6 μm,位于Illumina流动细胞上,该细胞被重新用于捕获组织切片的转录本。另一种基于多聚物的方法:PIXEL-seq,实现了约1.22微米的斑点直径,但与流动池不同,PIXEL-seq在每个多聚物周围没有太多的间距。XYZeq和sci-Space等技术已经被开发出来,用于分离空间条码点中的单细胞或细胞核,以进行scRNA-seq,因此数据具有单细胞转录组的分辨率,但没有空间分辨率。
已经开发了一些技术来保存计算重建空间基因表达模式所需的信息,而无需知道或收集空间位置。其中一项技术是DNA microscopy,它记录了cDNA之间的接近程度,该信息可用于重建转录本的相对位置。术语“空间转录组学”的变体也被用于描述将转录本定位到细胞器的技术(如APEX-seq),尽管没有记录空间坐标。
转录组只是细胞功能的一个方面。其他方面,如蛋白质组、神经元连接组和三维染色质构象对细胞功能也很重要,一些方法已被开发出来,在同一细胞中与转录组一起分析。对于蛋白质组,寡核苷酸标记的抗体被用来检测感兴趣的蛋白质,标志着蛋白质种类的寡核苷酸可以用基于smFISH的方法检测。这种抗体panels已与转录组学结合,如DBiT-seq、SM-Omics、GeoMX DSP和MERFISH。对于3D染色质构象,MERFISH和seqFISH+已被用于可视化染色质结构,通过靶向DNA基因组位点或新生转录本的内含子。对于神经元连接体,也可以将多路转录本量化与神经元投影追踪相结合。此外,BAR-seq最初设计用于ISS通过对注入大脑的病毒引入的神经元特异性条形码进行测序来追踪轴突,但后来也被用于序列基因条形码。此外,虽然不是一个组学,但在相同的细胞中,在转录组分析之前已经记录了电生理学,例如在外植的人类神经元中使用膜片钳,然后使用HCR–smFISH,在培养的心肌细胞中使用细胞外电极,然后在electro-seq中使用STARmap。