Сеть из олигонуклеотидов и гелевых бусин строит изображение мозга по экспрессии генов в клетках

Лаборатория геномики и популяционной динамики единичных клеток Цзюнъюэ Цао (Рокфеллеровский университет) разрабатывает молекулярные инструменты для изучения траекторий развития множества отдельных клеток, в частности, тех траекторий, которые приводят к старению клетки и организма. Свой новый инструмент они представили в статье, опубликованной в Nature Neuroscience.

Пространственная транскриптомика — методы профилирования экспрессии РНК (иначе говоря, активности генов) в отдельных микроскопических точках на срезе ткани — в настоящее время активно развивается. Но даже такие эффективные методы, как 10x Visium или Slide-seq, ограничены масштабируемостью, площадью охвата среза и техническими возможностями визуализации.

Альтернативой может быть пространственное картирование путем секвенирования (spatial mapping by sequencing), которое использует ДНК-баркоды для определения пространственной близости между биомолекулами. Примером этой концепции служит технология Hi-C, применяемая для реконструкции трехмерной структуры хроматина. «ДНК-микроскопию», не использующую микроскоп, можно адаптировать для изучения взаимодействий между мРНК или расположения белков на поверхности клетки.

Авторы новой работы создали метод реконструкции изображений с использованием индексированного секвенирования (Imaging Reconstruction using Indexed Sequencing, IRISeq). ДНК-штрихкодированные бусины захватывают молекулы мРНК в тысячах пространственных точек, а положение самих бусин определяется через их взаимодействие друг с другом.

В IRISeq используются два типа бусин с олигонуклеотидами, включающими баркоды и уникальные молекулярные идентификаторы (UMI). Бусины-«приемники» несут олигонуклеотиды с концевыми последовательностями поли(Т) и захватывают путем гибридизации близлежащие мРНК, так как у всех этих молекул есть поли(А) на концевых участках. Бусины «отправители» несут нуклеотиды с поли(А), поэтому тоже могут взаимодействовать с «приемниками». Кроме того, олигонуклеотиды «отправителей» имеют фоторасщепляемый линкер и могут быть отделены от бусины.

Бусины обоих типов равномерно распределяют по стеклянной пластине, причем «приемники» и «отправители» образуют сеть за счет взаимодействий поли(Т)-поли(А), и облучают ультрафиолетом. Затем на пластину накладывают замороженный срез ткани, и «приемники» захватывают мРНК, присутствующие в различных точках среза. После ферментативной деградации ткани бусины собирают, проводят обратную транскрипцию, синтез второй нити ДНК, тагментацию и полимеразную цепную реакцию (ПЦР). Секвенирование полученных молекул дает последовательности мРНК, сопровождаемые уникальными баркодами «приемников» (совокупность этих последовательностей авторы называют матрицей экспрессии генов), а также комбинации баркодов «приемников» и «отправителей» (матрица взаимодействия бусин). В итоге это позволяет восстановить точку на срезе, откуда происходит каждая идентифицированная мРНК. (Пространственные положения «приемников» определяются с помощью анализа главных компонентов (PCA) и алгоритма UMAP, примененных к матрице взаимодействия.) Подход примечателен, кроме всего прочего, своей низкой себестоимостью.

 Credit: Nat Neurosci (2026). DOI: 10.1038/s41593-026-02293-1 | CC BY-NC-ND 4.0

«С помощью IRISeq мы можем воссоздавать структуру тканей на разных уровнях детализации — почти как увеличивать и уменьшать масштаб карты — не делая ни единого снимка, — говорит Цзюнъюэ Цао. — Это означает, что мы можем изучать таким образом очень большие фрагменты тканей или множество срезов тканей, что было бы гораздо сложнее или дороже при использовании традиционных методов визуализации. По сути, мы превратили секвенирование в новый способ «видеть» биологию за гораздо меньшую стоимость».

Для демонстрации возможностей IRISeq исследователи проанализировали срезы мозга молодых взрослых и старых мышей, сравнив экспрессию генов в 25 областях мозга. В общей сложности 538 генов экспрессировались у старых мышей активнее, в том числе гены, связанные с воспалением; экспрессия 386 генов была понижена, в том числе гены, отвечающие за митохондриальную, рибосомную и нейронную функции.

В стареющем мозге были истощены популяции нейробластов и нейрональных клеток предшественников обонятельной луковицы. Снизилось количество клеток, связанных с нейрогенезом, в субвентрикулярной зоне, уменьшилось количество клеток кровеносных сосудов. Авторы также составили карту клеточных сообществ стареющего мозга, вовлеченных в воспаление. Воспалительные подтипы микроглии, олигодендроцитов и астроцитов, как правило, группировались вместе в белом веществе. Это позволяют предположить, что белое вещество — особенно уязвимая область старого мозга, где клеточные популяции, связанные с заболеваниями, возникают и стимулируют друг друга. Активность лимфоцитов была сосредоточена в определенных областях мозга старых мышей, особенно вблизи желудочков. Без пространственной транскриптомики это было бы трудно показать.

Ранее лаборатория использовала секвенирование отдельных клеток для идентификации редких типов клеток мозга, отслеживания старения клеток мозга, выявления клеток, уязвимых к возрастным изменениям, и изучение перехода к старению в разных типах клеток. В марте они опубликовали статью в Cell Genomics о своем инструменте для исследования РНК отдельных ядер клеток — EnrichSci. Цзюнъюэ Цао отмечает, что, хотя их собственные интересы сосредоточены на старении, эти методы можно использовать для изучения любых заболеваний и состояний.

Как без потерь масштабировать транскриптомику единичных клеток