Cell | 庄小威团队发布全转录组级空间单细胞异构体成像新技术

撰文 | 亦

空间转录组学正以前所未有的速度刷新我们对组织架构的认知【1-2】。然而，该领域长期以来一直面临着“鱼与熊掌不可兼得”的技术难题。目前主流的空间转录组技术主要分为两大类：一类是以成像为基础的方法，它们虽然能在单细胞甚至亚细胞水平上提供极高的空间分辨率，但通常只能检测有限的靶向基因组合；另一类是以测序为基础的方法，虽能提供非靶向的全转录组覆盖，但空间分辨率较低，往往无法实现真正的单细胞或亚细胞定位，且捕获效率有限【3-4】。更令人遗憾的是，由于传统高通量短读长测序主要检测转录本的3'或5'端，导致大量因可变剪切、交替转录起始位点（TSS）等产生的转录本异构体（Isoform）信息在空间中丢失。在单细胞水平上实现全转录组尺度且具备异构体分辨率的空间成像是科学界公认待解决的瓶颈 。

近日，霍华德·休斯医学研究所研究员庄小威团队在Cell上发表了题为Whole-transcriptome-scale isoform-resolved spatial imaging of single cells in tissues的文章。该研究开发了一种创新的原位RNA放大技术RT&T-AMP，并将其与多轮误差校正荧光原位杂交技术（MERFISH）完美融合。这一突破性方法在完整小鼠大脑组织中成功应用，同时成像了约33,000种独特的RNA，其中包括约23,000个基因和约10,000种异构体。该研究不仅首次在全转录组尺度上绘制了单细胞空间图谱，更在异构体层次上系统性揭示了大脑不同解剖区域和细胞类型中的转录组多样性，为理解组织功能构建了全新的分子坐标系。

这一技术之所以能大获成功，核心在于 创新的RT&T-AMP原位放大机制 。研究人员首先在固定组织内，利用poly-T引物对内源RNA的 poly-A尾进行原位逆转录，并在3'端延伸出短的CCC超悬结构；随后通过模板切换寡核苷酸（TSO）引入T7启动子序列，最终借助T7 RNA聚合酶转录出大量的RNA扩增子。这种原位放大不仅让信号大为增强（甚至依靠单个探针就能实现稳健的单分子检测），突破了检测短序列或异构体特异性片段的长度限制，还成功将MERFISH编码探针的数量和成本降低了近一个数量级。实验结果显示，该技术具有惊人的重现性，相邻脑片间的基因计数相关性高达 r=0.97；同时，它与传统Bulk RNA-seq的定量数据高度线性相关（r=0.83），且没有引入明显的transcript长度或GC 含量偏见，确保了结果的严谨与准确。

基于这一强大的全转录组级成像平台，通过空间热点分析，研究团队 鉴定出了一系列与大脑解剖结构高度契合的基因模块 。例如，在纹状体的侧隔核吻侧部（LSr）模块中（包含207个基因），清晰捕捉到了调控血糖的Glp1r与其下游钙通道Trpc4以及相反调控因子Rasd1的共表达特征，这暗示了它们在LSr介导的情绪和社交行为调控中存在精细的分子机制。更精妙的是，该技术揭示了同种细胞在不同局部微环境下的状态切换。以血管壁的平滑肌细胞（SMC）为例，处于密集区域的SMC会显著上调与收缩功能相关的基因（如Acta2、Myh11）；而散在稀疏分布的SMC则优先表达与血管重构和环境感知相关的基因（如Cxcl12、Egfl7），完美证实了细胞在微环境驱动下的功能可塑性。此外，研究还覆盖了约1,500对细胞间配体-受体通讯对，深度描绘了如Notch1信号通路等高度空间特异性的细胞互作网络。

而文章最具震撼力的亮点，当属在Isoform分辨率上的空间发现。在大脑约4,000 个具有多种异构体的被测基因中，研究人员观察到了广泛的空间多样性和细胞类型特异性。例如，调控神经发育与记忆的关键转录因子Mef2c，其异构体 Mef2c-218表现出对皮层端脑内投射（IT）神经元以及海马齿状回的高度偏好；相反，其另外两个非编码异构体Mef2c-210 和 Mef2c-226则在神经元中分布得更为广泛。诸如Gphn（突触支架蛋白基因）和Ntrk2（BDNF受体基因）等，甚至在神经元与非神经元细胞之间上演了完美的“异构体切换（Isoform switching）” 。

论文进一步指出， 脉络丛（Choroid Plexus, CP）和海马区是脑内异构体特异性展现得最淋漓尽致的两个结构 。脉络丛负责分泌脑脊液并构筑血-脑脊液屏障，在这里，负责铜转运的基因Slc31a1的两个异构体展现出截然不同的命运：Slc31a1-202 在全脑广泛低表达，而由于交替启动子引入了额外铜结合结构域的Slc31a1-201异构体，在脉络丛中的富集度高出前者10倍以上。鉴于脉络丛在大脑铜代谢中的核心地位，这一特定异构体的主导表达，可能对预防和治疗相关神经系统疾病具有重大医学价值。而在海马区，趋化样蛋白基因Tafa1的两个异构体Tafa1-201和Tafa1-202则在海马的CA1、CA2/3和DG 亚区中呈现出极其精细的空间区域分工，这可能深深影响着海马不同亚区的突触活性与神经可塑性。

总的来说，RT&T-AMP-MERFISH 技术在成像空间转录组学领域竖起了一座全新的里程碑。它不仅攻克了在天然组织微环境中同时进行全转录组规模和短序列异构体级别检测的尖端难题，更以单细胞乃至亚细胞的高空间分辨率，为我们展现了前所未有的分子景观。在实际应用中，该技术提供的高清“异构体空间地图”，能够为科研人员指明在特定脑区或细胞类型中究竟应该靶向干预哪一种具体的转录本，从而极大地推动发育生物学、精准神经科学以及复杂疾病靶点发现的进展。我们有理由相信，这一颠覆性工具将在未来的生命科学与医学研究中解锁更多未知的奥秘。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.06.027

制版人： 十一

参考文献

1.Close, J.L., Long, B.R., and Zeng, H. (2021). Spatially resolved transcriptomics in neuroscience.Nat. Methods18, 23–25. https://doi.org/10.1038/S41592-020-01040-Z.

2.Bressan, D., Battistoni, G., and Hannon, G.J. (2023). The dawn of spatial omics.Science381, eabq4964. https://doi.org/10.1126/SCIENCE.ABQ4964.

3.Larsson, L., Frise´ n, J., and Lundeberg, J. (2021). Spatially resolved transcriptomics adds a new dimension to genomics.Nat. Methods18,15–18. https://doi.org/10.1038/S41592-020-01038-7.

4.Zhuang, X. (2021). Spatially resolved single-cell genomics and transcriptomics by imaging.Nat. Methods18, 18–22. https://doi.org/10.1038/S41592-020-01037-8.

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