Einzelzell- und räumliche Transkriptomik

Die Einzelzell-Transkriptomik misst die Genexpression in einzelnen Zellen und nicht im gesamten Gewebe, wodurch die Heterogenität aufgedeckt wird, die durch die Mittelung über viele Zellen verdeckt wird. Die räumliche Transkriptomik behält die Position jeder Messung innerhalb eines Gewebeschnitts bei. Zusammen ermöglichen sie es, das Transkriptom Zelle für Zelle und zunehmend in situ zu lesen, wodurch unterschiedliche Zelltypen, -zustände und deren Organisation innerhalb von Geweben sichtbar werden.

Definition

Die Einzelzell-Transkriptomik quantifiziert RNA-Transkripte innerhalb einzelner Zellen, und die räumliche Transkriptomik misst die Transkriptmenge unter Beibehaltung der zweidimensionalen Position jeder Messung innerhalb eines Gewebes, so dass die Expression pro Zelle und im anatomischen Kontext analysiert werden kann.

Scope

Dieses Thema behandelt, wie Transkriptome aus einzelnen Zellen gewonnen werden (Zellisolation, Barcoding und Sequenzierung), die rechnerischen Schritte, die spärliche Pro-Zell-Daten in Zelltyp-Karten umwandeln (Clustering und Dimensionsreduktion), und räumliche Methoden, die die Gewebeposition erhalten. Es ist eine methodische Referenz innerhalb der Transkriptomik und bietet keine klinische Anleitung.

Core questions

• Wie wird RNA parallel aus Tausenden einzelner Zellen gewonnen und eindeutig markiert?
• Wie werden spärliche Einzelzellprofile in Zelltypen und -zustände geclustert?
• Wie können räumliche Methoden erhalten, wo in einem Gewebe jedes Transkript gemessen wurde?
• Welche technischen Artefakte (Dropout, Doublets, Batcheffekte) muss die Analyse berücksichtigen?

Key concepts

• Zellisolation und Tröpfchen-basierte Erfassung
• Zell-Barcoding und eindeutige molekulare Identifikatoren
• Sparsität und Dropout
• Dimensionsreduktion und Clustering
• Zelltyp- und Zellzustandsidentifikation
• Trajektorien- und Pseudotime-Analyse
• Räumlich aufgelöste Transkriptomik
• Batcheffekte und Integration

Mechanisms

Bei der Einzelzell-RNA-Sequenzierung werden einzelne Zellen getrennt – oft durch Verkapselung in Tröpfchen – und die Transkripte jeder Zelle werden mit einem zellspezifischen Barcode und häufig einem eindeutigen molekularen Identifikator markiert, bevor sie gepoolt sequenziert werden, so dass die Reads ihrer Ursprungszelle zugeordnet und ohne Amplifikationsverzerrung gezählt werden können. Da jede Zelle wenig RNA liefert, sind die resultierenden Matrizen spärlich und verrauscht: Nicht jedes exprimierte Gen wird detektiert (Dropout), und die Analyse stützt sich auf Dimensionsreduktion und Clustering, um Zellen in Typen und Zustände zu gruppieren, wie Zeisel und Kollegen es für das Mausgehirn taten. Tang und Kollegen demonstrierten erstmals die Gesamttranskriptom-Sequenzierung einer einzelnen Zelle und etablierten den Ansatz. Die räumliche Transkriptomik, eingeführt von Stahl und Kollegen, platziert Gewebeschnitte auf Arrays von positionell barcodierten Fangstellen, so dass die Expression auf die Gewebearchitektur zurückgeführt werden kann, wodurch molekulare Profile mit der Anatomie verknüpft werden.

Clinical relevance

Einzelzell- und räumliche Transkriptomik gestalten Referenzkarten von Geweben in Entwicklung, Immunologie und Onkologie neu, indem sie die zelluläre Zusammensetzung und räumliche Organisation von normalem und erkranktem Gewebe auflösen. Als Referenzthema erklärt dieser Eintrag, wie zellaufgelöste Expressionsnachweise generiert werden; er ist keine Grundlage für individuelle Diagnose- oder Behandlungsentscheidungen.

Evidence & guidelines

Methodische Referenzpunkte umfassen die erste Einzelzell-Transkriptomsequenzierung (Tang und Kollegen), große Zelltypisierungsstudien (Zeisel und Kollegen) und die Einführung der Array-basierten räumlichen Transkriptomik (Stahl und Kollegen). Dies sind methodische Referenzen und keine klinischen Leitlinien.

History

Die Einzelzell-Transkriptomik begann 2009, als Tang und Kollegen das Transkriptom einer Zelle sequenzierten. Mitte der 2010er Jahre skalierte das Tröpfchen-basierte Barcoding den Ansatz auf Tausende von Zellen, was die systematische Zelltyp-Entdeckung, wie den Gehirnatlas von Zeisel und Kollegen, ermöglichte. Im Jahr 2016 führten Stahl und Kollegen die Array-basierte räumliche Transkriptomik ein, und nachfolgende bildgebende und sequenzierungsbasierte räumliche Methoden erweiterten Auflösung und Genabdeckung und ergänzten große Zellatlas-Initiativen.

Debates

Auflösung versus Transkriptomabdeckung bei räumlichen Methoden

Bildgebende räumliche Methoden können eine nahezu Einzelzell- oder subzelluläre Auflösung erreichen, messen aber typischerweise ein begrenztes, vordefiniertes Genpanel, während sequenzierungsbasierte Erfassungsmethoden das gesamte Transkriptom mit gröberer räumlicher Auflösung abdecken; der Kompromiss zwischen Auflösung und Breite bleibt eine aktive Designfrage.

Key figures

• M. Azim Surani
• Sten Linnarsson
• Joakim Frisen
• Fuchou Tang

Seminal works

• tang-2009
• zeisel-2015
• stahl-2016

Frequently asked questions

Warum sind Einzelzell-Expressionsdaten so spärlich?

Jede Zelle enthält nur eine geringe Menge an RNA, so dass viele Gene, die tatsächlich exprimiert werden, in einer bestimmten Zelle nicht erfasst werden (Dropout). Dies macht die Profile pro Zelle verrauscht und unvollständig, weshalb die Analyse auf der Gruppierung vieler Zellen durch Clustering beruht.

Wie unterscheidet sich die räumliche Transkriptomik von der Einzelzell-RNA-Seq?

Die Einzelzell-RNA-Seq dissoziiert Gewebe, so dass Zellen einzeln profiliert werden, aber ihre ursprüngliche Position verlieren. Die räumliche Transkriptomik misst die Expression unter Beibehaltung der Position im Gewebe, von der jede Messung stammt, wodurch molekulare Profile wieder in den anatomischen Kontext eingeordnet werden können.