單細(xì)胞多組學(xué)，特別是染色質(zhì)可及性表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄組同時測序分析，可以不僅鑒別細(xì)胞類型和狀態(tài)同時還可以揭示控制基因表達(dá)的機(jī)理 – 常常被認(rèn)為是單細(xì)胞組學(xué)分析的**利器。隨著近年來空間組學(xué)的興起， 空間多組學(xué)技術(shù) (spatial multi-omics)是否也可以同時分析基因表達(dá)和基因調(diào)控機(jī)制？這成為了大家一致期待的新一代組學(xué)工具?？臻g多組學(xué)在2022年更是被Nature雜志展望為為*值得期待的七個技術(shù)之一。

2020年底，耶魯大學(xué)的樊榮教授團(tuán)隊(duì)**報(bào)道了利用組織樣本原位編碼方法同時分析空間轉(zhuǎn)錄組和蛋白組（DBiT-seq）。在表觀遺傳組領(lǐng)域，樊榮教授團(tuán)隊(duì)在2022年開發(fā)了兩種空間表觀遺傳測序新技術(shù)（Spatial-ATAC-seq和Spatial-CUT＆Tag），實(shí)現(xiàn)了對基因表達(dá)機(jī)制方面的高空間分辨率分析。2023年2月23日，樊榮教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的空間轉(zhuǎn)錄組和蛋白組新技術(shù)Spatial-CITE-seq，實(shí)現(xiàn)了高通量（約200–300）蛋白和轉(zhuǎn)錄組同時分析。為了進(jìn)一步研究調(diào)控基因表達(dá)的表觀遺傳機(jī)制，需要對空間表觀組和轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行同時分析。因此如果空間分辨的表觀遺傳組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合測序分析技術(shù)（spatial epigenome–transcriptome co-sequencing）能夠?qū)崿F(xiàn)，將為成為復(fù)雜組織生物學(xué)研究的一個**利器， 其用途幾乎涉及生物醫(yī)學(xué)的所有重要領(lǐng)域。

2023年3月15日，耶魯大學(xué)樊榮教授團(tuán)隊(duì)和卡羅林斯卡學(xué)院Gon?alo Castelo-Branco教授團(tuán)隊(duì)合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Spatial epigenome–transcriptome co-profiling of mammalian tissues 的研究論文。

除了成功實(shí)現(xiàn)整個領(lǐng)域期待的在同一組織樣品上實(shí)現(xiàn)總體染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)的聯(lián)合空間組學(xué)分析（Spatial ATAC–RNA-seq），該研究還同時報(bào)道了三個特定的組蛋白修飾和基因表達(dá)的聯(lián)合分析（Spatial CUT＆Tag–RNA-seq）。和單細(xì)胞數(shù)據(jù)整合顯示這些技術(shù)達(dá)到了細(xì)胞水平或近單細(xì)胞分辨率。

這項(xiàng)工作能夠在空間和全基因組水平上觀察表觀遺傳機(jī)制如何在組織中控制轉(zhuǎn)錄表型和細(xì)胞動態(tài)，揭示組織結(jié)構(gòu)中空間表觀遺傳啟動、分化和基因調(diào)控的新見解。該技術(shù)將在生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域引起廣泛興趣。

在研究中，對Spatial ATAC–RNA-seq技術(shù)，研究人員使用甲醛固定的冰凍組織切片，首先用預(yù)裝有DNA adapter的Tn5轉(zhuǎn)座酶復(fù)合物進(jìn)行處理，隨后將同一組織切片在包含生物素，連接序列和poly-T的DNA adapter中孵育以啟動逆轉(zhuǎn)錄。之后，在組織切片上依次放置兩個方向垂直的微流控芯片，分別引入空間編碼Ai（i=1?50或100）和Bj（j=1?50或100），從而形成一個二維的、由空間編碼定義的組織像素網(wǎng)格，每個像素點(diǎn)由Ai和Bj編碼（總編碼像素?cái)?shù)=2500或10000）。*后，組織在反向交聯(lián)后釋放編碼的cDNA和基因組DNA（gDNA）片段，將cDNA使用鏈霉親和素珠富集，gDNA片段保留在上清液中。分別構(gòu)建gDNA和cDNA的文庫用于下一代測序。對Spatial CUT＆Tag–RNA-seq，將特定組蛋白修飾（H3K27me3、H3K27ac或H3K4me3組蛋白修飾）的抗體應(yīng)用于組織切片，隨后使用protein A連接的Tn5-DNA復(fù)合物進(jìn)行CUT＆Tag實(shí)驗(yàn)，剩余步驟與spatial ATAC–RNA-seq類似（圖1），*終得到組織中組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄組的空間共同分析結(jié)果。

對小鼠胚胎（E13）進(jìn)行Spatial ATAC–RNA-seq分析（圖2），通過表觀遺傳組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)均能成功分辨小鼠胚胎各個器官。為了研究胚胎發(fā)育中染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)之間的時空關(guān)系，研究分析了從radial glia到postmitotic premature neurons的分化軌跡。表明spatial-ATAC-RNA-seq 技術(shù)可用于解析組織發(fā)育過程中的基因調(diào)控機(jī)制和時空動態(tài)。

對產(chǎn)后22天小鼠大腦進(jìn)行Spatial ATAC–RNA-seq和Spatial CUT＆Tag–RNA-seq分析，通過提高編碼數(shù)量到100，實(shí)現(xiàn)對幾乎整個小鼠半腦的空間表觀遺傳組和轉(zhuǎn)錄組共同分析（圖3）。通過聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)在某些小鼠大腦組織區(qū)域中，某些基因的表觀遺傳特征隨著發(fā)育而持續(xù)存在，但基因表達(dá)卻不同。聯(lián)合分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳調(diào)控與基因表達(dá)在幼鼠大腦不同區(qū)域中存在預(yù)期之外的相互關(guān)系，并且不同表觀遺傳特征可以通過相互合作來調(diào)控基因表達(dá)。

空間分辨表觀遺傳組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析技術(shù)Spatial ATAC–RNA-seq和Spatial CUT＆Tag–RNA-seq，代表了空間生物學(xué)中獲得信息*為豐富的工具之一，可以預(yù)見其在生物醫(yī)學(xué)研究的各個領(lǐng)域中均能得到廣泛應(yīng)用。從長遠(yuǎn)來看，樊榮教授團(tuán)隊(duì)希望將該技術(shù)應(yīng)用于各種組織類型，并生成表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的空間圖譜。據(jù)悉，樊榮教授團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)更多空間組學(xué)新技術(shù)， 同時致力于將這些新技術(shù)用于腦科學(xué)，癌癥，衰老和**等廣泛的生物醫(yī)學(xué)研究課題。

論文**作者為耶魯大學(xué)博士后研究員張迪，共同**作者是樊榮實(shí)驗(yàn)室前博士后現(xiàn)為賓州大學(xué)（UPenn）助理教授的鄧彥翔博士。其他合作者除了卡羅林斯卡學(xué)院Gon?alo Castelo-Branco教授， 還包括哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的肖揚(yáng)博士和Kam Leong教授，哥倫比亞醫(yī)學(xué)院的John Mann教授和Maura Boldrini教授的研究組，西奈山醫(yī)學(xué)中心的馬賽教授，普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)系的Ben Raphael教授研究組，AtlasXomics的王利亞博士，加州大學(xué) Max Haeussler研究組，和耶魯醫(yī)學(xué)院的Yuval Kluger教授研究組。