Transcriptomique unicellulaire et spatiale

La transcriptomique unicellulaire mesure l'expression génique dans des cellules individuelles plutôt que dans des tissus en vrac, révélant ainsi l'hétérogénéité que la moyenne sur de nombreuses cellules masque, tandis que la transcriptomique spatiale conserve la position de chaque mesure au sein d'une coupe de tissu. Ensemble, elles permettent de lire le transcriptome cellule par cellule et, de plus en plus, in situ, exposant les types cellulaires distincts, leurs états et leur organisation au sein des tissus.

Definition

La transcriptomique unicellulaire quantifie les transcrits d'ARN au sein de cellules individuelles, et la transcriptomique spatiale mesure l'abondance des transcrits tout en préservant la localisation bidimensionnelle de chaque mesure au sein d'un tissu, de sorte que l'expression puisse être analysée par cellule et dans un contexte anatomique.

Scope

Ce sujet couvre la manière dont les transcriptomes sont capturés à partir de cellules uniques (isolement cellulaire, codage-barres et séquençage), les étapes computationnelles qui transforment les données cellulaires éparses en cartes de types cellulaires (regroupement et réduction de dimensionnalité), et les méthodes spatiales qui préservent la localisation tissulaire. Il s'agit d'une référence méthodologique en transcriptomique et ne fournit aucune orientation clinique.

Core questions

• Comment l'ARN est-il capturé et étiqueté de manière unique à partir de milliers de cellules individuelles en parallèle ?
• Comment les profils unicellulaires épars sont-ils regroupés en types et états cellulaires ?
• Comment les méthodes spatiales peuvent-elles préserver l'emplacement dans un tissu où chaque transcrit a été mesuré ?
• Quels artefacts techniques (dropout, doublets, effets de lot) l'analyse doit-elle prendre en compte ?

Key concepts

• Isolement cellulaire et capture basée sur des gouttelettes
• Codage-barres cellulaire et identifiants moléculaires uniques
• Sparsité et phénomène de « dropout »
• Réduction de dimensionnalité et regroupement
• Identification des types et états cellulaires
• Analyse de trajectoire et de pseudotemps
• Transcriptomique spatialement résolue
• Effets de lot et intégration

Mechanisms

Dans le séquençage d'ARN unicellulaire, les cellules individuelles sont séparées — souvent par encapsulation dans des gouttelettes — et les transcrits de chaque cellule sont marqués avec un code-barres spécifique à la cellule et fréquemment un identifiant moléculaire unique avant le séquençage en pool, de sorte que les lectures puissent être réassignées à leur cellule d'origine et comptées sans biais d'amplification. Étant donné que chaque cellule produit peu d'ARN, les matrices résultantes sont éparses et bruitées : tous les gènes exprimés ne sont pas détectés (phénomène de « dropout »), et l'analyse repose sur la réduction de dimensionnalité et le regroupement pour classer les cellules en types et états, comme l'ont fait Zeisel et ses collègues pour le cerveau de souris. Tang et ses collègues ont été les premiers à démontrer le séquençage du transcriptome entier d'une seule cellule, établissant ainsi l'approche. La transcriptomique spatiale, introduite par Stahl et ses collègues, place des coupes de tissu sur des réseaux de points de capture codés-barres positionnellement, de sorte que l'expression puisse être cartographiée sur l'architecture tissulaire, reliant ainsi les profils moléculaires à l'anatomie.

Clinical relevance

La transcriptomique unicellulaire et spatiale remodèlent les cartes de référence des tissus en développement, en immunologie et en oncologie en résolvant la composition cellulaire et l'organisation spatiale des tissus normaux et malades. En tant que sujet de référence, cette entrée explique comment les preuves d'expression résolues au niveau cellulaire sont générées ; elle ne constitue pas une base pour des décisions diagnostiques ou thérapeutiques individuelles.

Evidence & guidelines

Les points de référence méthodologiques incluent le premier séquençage du transcriptome unicellulaire (Tang et ses collègues), les grandes études de typage cellulaire (Zeisel et ses collègues), et l'introduction de la transcriptomique spatiale basée sur des réseaux (Stahl et ses collègues). Il s'agit de références méthodologiques plutôt que de lignes directrices cliniques.

History

La transcriptomique unicellulaire a débuté en 2009 lorsque Tang et ses collègues ont séquencé le transcriptome d'une cellule. Au milieu des années 2010, le codage-barres basé sur des gouttelettes a permis d'étendre l'approche à des milliers de cellules, rendant possible la découverte systématique de types cellulaires, comme l'atlas cérébral de Zeisel et ses collègues. En 2016, Stahl et ses collègues ont introduit la transcriptomique spatiale basée sur des réseaux, et les méthodes spatiales ultérieures basées sur l'imagerie et le séquençage ont étendu la résolution et la couverture génique, complétant ainsi les grandes initiatives d'atlas cellulaires.

Debates

Résolution versus couverture du transcriptome dans les méthodes spatiales

Les méthodes spatiales basées sur l'imagerie peuvent atteindre une résolution quasi unicellulaire ou subcellulaire, mais mesurent généralement un panel de gènes limité et prédéfini, tandis que les méthodes de capture basées sur le séquençage couvrent l'ensemble du transcriptome à une résolution spatiale plus grossière ; le compromis entre résolution et étendue demeure une question de conception active.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Pourquoi les données d'expression unicellulaires sont-elles si éparses ?

Chaque cellule ne contient qu'une petite quantité d'ARN, de sorte que de nombreux gènes réellement exprimés ne sont pas capturés dans une cellule donnée (phénomène de « dropout »). Cela rend les profils par cellule bruités et incomplets, c'est pourquoi l'analyse repose sur le regroupement de nombreuses cellules par le biais du clustering.

En quoi la transcriptomique spatiale diffère-t-elle du séquençage d'ARN unicellulaire ?

Le séquençage d'ARN unicellulaire dissocie les tissus, de sorte que les cellules sont profilées individuellement mais perdent leur localisation d'origine. La transcriptomique spatiale mesure l'expression tout en préservant l'emplacement dans le tissu d'où provient chaque mesure, permettant ainsi de replacer les profils moléculaires dans leur contexte anatomique.