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單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序目前已成為生物學(xué)研究中的核心技術(shù)手段，其能夠幫助研究人員獲得組織樣品中單細(xì)胞水平的基因表達(dá)信息。然而，傳統(tǒng)的單細(xì)胞測(cè)序流程需要先將組織消化為單細(xì)胞懸液，這一過程會(huì)造成細(xì)胞空間位置信息的丟失。已有的空間分辨單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組原位測(cè)序技術(shù)往往受限于低空間分辨率、低通量和高背景等問題。

近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院陳興課題組、黃巖誼課題組與北京大學(xué)第一醫(yī)院楊莉課題組合作開發(fā)了一種全新的空間分辨單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)（OpTAG-seq）。該方法利用光激活的亞甲基苯醌探針對(duì)特定位置的細(xì)胞進(jìn)行熒光標(biāo)記，隨后將被標(biāo)記的細(xì)胞進(jìn)行分離和單細(xì)胞二代建庫測(cè)序，在獲得高質(zhì)量單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)的同時(shí)保留了細(xì)胞的空間位置信息。

為了實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的細(xì)胞標(biāo)記，作者設(shè)計(jì)并合成了光激活探針ONPF，并基于其開發(fā)了光控細(xì)胞標(biāo)記策略O(shè)pTAG。在紫外光照射下，ONPF轉(zhuǎn)化生成具有極強(qiáng)反應(yīng)活性的亞甲基苯醌中間體。在活細(xì)胞表面，該中間體能快速地與細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)等親核試劑進(jìn)行共價(jià)連接。作者在探針上引入生物素報(bào)告基團(tuán)，并利用熒光修飾的鏈霉親和素對(duì)標(biāo)記進(jìn)行表征。作者證明這一探針能夠在活細(xì)胞表面實(shí)現(xiàn)很高空間分辨率的標(biāo)記。通過多輪標(biāo)記和顏色組合，OpTAG最多可以在一份樣品中同時(shí)實(shí)現(xiàn)7個(gè)位置的標(biāo)記，且標(biāo)記的空間分辨率可以達(dá)到單細(xì)胞水平。

作者隨后將OpTAG標(biāo)記，流式分選與單細(xì)胞測(cè)序結(jié)合，發(fā)展了一種新的空間分辨單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)OpTAG-seq。作者利用OpTAG-seq探究了癌癥遷移過程的基因表達(dá)調(diào)控。在體外構(gòu)建的癌細(xì)胞遷移模型中，作者分別對(duì)外部具有高遷移活性和內(nèi)部的癌細(xì)胞進(jìn)行OpTAG-seq分析。結(jié)果顯示，這兩部分細(xì)胞在降維分析中具有明顯的分界，說明其基因表達(dá)具有較大差異。作者鑒定到許多在高遷移活性細(xì)胞中上調(diào)或下調(diào)的基因。其中，上調(diào)的這些基因顯著地富集在細(xì)胞遷移和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等功能條目中。作者對(duì)其中兩個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行了免疫熒光驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)KRT17顯著地在外部細(xì)胞高表達(dá)，而MUC16則在內(nèi)部細(xì)胞高表達(dá)，與測(cè)序結(jié)果高度一致。此外，作者還成功利用OpTAG在小鼠腎臟切片中對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行高效熒光標(biāo)記，證明這一方法在組織層面也具有廣闊的應(yīng)用前景。以上結(jié)果說明OpTAG-seq能夠有效地實(shí)現(xiàn)空間分辨單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，為研究細(xì)胞和組織中基因表達(dá)的時(shí)空調(diào)控提供了有力的化學(xué)工具。

該工作近日以“Optical Cell Tagging for Spatially Resolved Single-Cell RNA Sequencing”為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition。博士生唐麒和劉璐為文章共同第一作者。郭怡蘭、張旭、張紹然、賈燕博士、杜逸飛博士、成波博士等為該工作做出了重要貢獻(xiàn)。陳興教授、黃巖誼教授和楊莉教授為該論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京分子科學(xué)國家研究中心以及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。

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原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202113929

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