「空间转录组技术」在 2020 年被 nature methods 评选为年度技术方法后，在 2022 年再次被 nature 评为年度七大前沿技术之一。该技术从时间和空间的维度，高精度地解析了基因和细胞在生命发育过程中的变化，这一突破为疾病研究、生长发育、器官结构和物种演化等领域提供了全新的研究方向。华大自主研发的 stereo-seq 技术诞生后，陆续在 cell、nature 和 science 三大顶级学术期刊发表了多项重要成果，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」。
· 技术简介 ·
华大自主研发的 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。
· 技术原理 ·
stereo-seq 技术通过时空芯片（stereo-seq chip）捕获组织中的 mrna，使用了与华大 dnbseq 测序技术相同的芯片加工工艺，具有规则排列的活性点（spot），每个 spot 点的直径约为 220nm，两个 spot 点的中心点的距离为 500nm。
stereo chip 的制备过程和 stereo-seq 技术原理如下：首先利用一段随机合成的 25nt 序列作为空间坐标（coordinate identity，cid），包含 25nt 随机合成序列，经过滚环扩增复制，形成 dna 纳米球（dna nanoball，dnb）。dnb 随后被结合到 stereo chip 上，并落入芯片中数十亿规则排列的 spot 上。通过 dnbseq 测序仪对芯片上的 dnb 进行测序（第一轮测序），获取 25nt 的 cid 序列及对应的空间坐标。然后通过生化合成将 cid 序列与 umi 分子和捕获探针（oligo-dt）连接，构建成完整的捕获芯片（图 1，步骤 1 到步骤 3）。随后，将 10µm 厚度的冷冻包埋组织切片贴敷在 stereo-seq 捕获芯片的表面，经过组织固定和透化，释放组织中的 mrna，并被 stereo chip 原位捕获。被捕获的 mrna 经过逆转录合成带有 cid 序列的 cdna，再进行扩增、文库构建和高通量测序（第二轮测序），测序数据分析中可通过 cid 序列还原 mrna 分子在 stereo chip 中的物理位置，进而对应获得高分辨率的组织原位表达信息。
图 1 stereo-seq 技术原理
· 技术优势 ·
纳米级分辨率
作为国际领先的时空组学技术，相比较于其他技术平台，stereo-seq 在检测组织大小及分辨率等方面具有突破性优势。stereo-seq 技术将认识生命空间表达的分辨率提高到 500nm 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。
厘米级全景视场
目前，华大科技已推出芯片尺寸为 0.5 cm x 0.5 cm 至 2 cm x 3 cm 的时空转录组服务产品，同时还可根据实际需求开展定制化合作，最大可以检测 13 cm 以内的组织。在完美兼容现有时空技术流程的基础上，多尺寸时空芯片方案能极大地提升捕获面积利用率。
图 2 不同大小芯片示例
一站式可视化分析
时空转录组交付推荐 lmagestudio saw stereomap 组合方案，可对芯片进行图像处理、数据分析、可视化展示及结果调整等操作。
imagestudio 是时空组学桌面端图像处理软件，主要涉及图像质量评估和图像手动调整模块（图像拼接、图像校准、组织分割和细胞分割）。图像质量评估主要从图像清晰度和图像 track 线两个评估指标对显微镜拍摄的图像进行评分，用于判断是否满足后续的数据分析需求。
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，并可以用于下游生信分析的空间表达数据。
stereomap 是一个高清的可视化桌面端软件，saw 流程中输出的 gef 矩阵、rpi 图像文件、ipr 数据文件和聚类结果等均可在 stereomap 中展示，并可通过内部集成的多种工具对时空组学数据进行探索控掘。
图 3 时空转录组交付方案流程
物种组织不设限
目前，stereo-seq 技术已研发了针对人、鼠的各部位组织器官的检测方法，其中包括人脑、甲状腺癌、鼻咽癌、淋巴结、肺癌、脂肪肝、结肠癌、宫颈癌等组织，小鼠的全脑、迷走神经复合体、脑前额叶、肝脏、肾脏、心脏、结肠、睾丸、卵巢、足垫等组织，以及其他动物和植物如大豆、果蝇、斑马鱼、蝾螈等物种的检测。
· 应用场景 ·
stereo-seq 技术突破了传统技术的限制，可以真正实现对组织中的细胞进行空间定位同时检测其基因表达，可以实现将生命科学研究带入到时空时代，并可应用于肿瘤研究、免疫研究、发育生物学、脑神经学、病理研究等方面。华大在基因组学（dna omics）、单细胞组学（cell omics）、时空组学（spatial omics）方向的工具自主可控，未来将全面提升人类对生命的认知和推动疾病的重新定义。
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