Tek Hücreli ve Mekansal Transkriptomik
Tek hücreli transkriptomik, gen ifadesini toplu doku yerine tek tek hücrelerde ölçerek, birçok hücrenin ortalamasının gizlediği heterojenliği ortaya koymaktadır; mekansal transkriptomik ise her bir ölçümün doku kesiti içindeki konumunu korumaktadır. Birlikte, transkriptomun hücre hücre ve giderek artan bir şekilde in situ okunmasına olanak tanıyarak, farklı hücre tiplerini, durumlarını ve dokular içindeki organizasyonlarını açığa çıkarmaktadırlar.
Tanım
Tek hücreli transkriptomik, tek tek hücreler içindeki RNA transkriptlerini nicel olarak belirlemektedir; mekansal transkriptomik ise her bir ölçümün bir doku içindeki iki boyutlu konumunu koruyarak transkript bolluğunu ölçmektedir, böylece ifade, hücre başına ve anatomik bağlamda analiz edilebilmektedir.
Kapsam
Bu konu, transkriptomların tek hücrelerden nasıl yakalandığını (hücre izolasyonu, barkodlama ve dizileme), seyrek hücre başına veriyi hücre tipi haritalarına dönüştüren hesaplamalı adımları (kümeleme ve boyut indirgeme) ve doku konumunu koruyan mekansal yöntemleri kapsamaktadır. Bu, transkriptomik içinde metodolojik bir referanstır ve klinik rehberlik sağlamamaktadır.
Temel sorular
- RNA, binlerce tek tek hücreden paralel olarak nasıl yakalanır ve benzersiz şekilde etiketlenir?
- Seyrek tek hücre profilleri, hücre tiplerine ve durumlarına nasıl kümelenir?
- Mekansal yöntemler, her bir transkriptin dokunun neresinde ölçüldüğünü nasıl koruyabilir?
- Analiz hangi teknik artefaktları (dropout, çiftler, parti etkileri) hesaba katmalıdır?
Anahtar kavramlar
- Hücre izolasyonu ve damlacık tabanlı yakalama
- Hücre barkodlama ve benzersiz moleküler tanımlayıcılar
- Seyreklik ve dropout
- Boyut indirgeme ve kümeleme
- Hücre tipi ve hücre durumu tanımlaması
- Trajektori ve sözde zaman analizi
- Mekansal olarak çözümlenmiş transkriptomik
- Parti etkileri ve entegrasyon
Mekanizmalar
Tek hücreli RNA dizilemesinde, tek tek hücreler ayrılmakta — genellikle damlacıklar içinde kapsüllenerek — ve her hücrenin transkriptleri, havuzlanmış dizilemeden önce hücreye özgü bir barkod ve sıklıkla benzersiz bir moleküler tanımlayıcı ile etiketlenmektedir; böylece okumalar, köken hücrelerine geri atanabilmekte ve amplifikasyon yanlılığı olmaksızın sayılabilmektedir. Her hücre az miktarda RNA ürettiği için, ortaya çıkan matrisler seyrek ve gürültülüdür: ifade edilen her gen tespit edilememektedir (dropout), ve analiz, hücreleri tiplere ve durumlara ayırmak için boyut indirgeme ve kümelemeye dayanmaktadır, tıpkı Zeisel ve arkadaşlarının fare beyni için yaptığı gibi. Tang ve arkadaşları, tek bir hücrenin tüm transkriptom dizilemesini ilk kez göstererek bu yaklaşımı ortaya koymuşlardır. Stahl ve arkadaşları tarafından tanıtılan mekansal transkriptomik, doku kesitlerini konumsal olarak barkodlanmış yakalama noktaları dizilerine yerleştirmektedir; böylece ifade, doku mimarisine geri eşlenebilmekte, moleküler profiller anatomiye bağlanabilmektedir.
Klinik önem
Tek hücreli ve mekansal transkriptomik, normal ve hastalıklı dokunun hücresel bileşimini ve mekansal organizasyonunu çözümleyerek gelişim, immünoloji ve onkolojideki dokuların referans haritalarını yeniden şekillendirmektedir. Bir referans konusu olarak bu girdi, hücre çözünürlüklü ifade kanıtının nasıl üretildiğini açıklamaktadır; bireysel tanı veya tedavi kararları için bir temel oluşturmamaktadır.
Kanıt ve kılavuzlar
Metodolojik referans noktaları arasında ilk tek hücreli transkriptom dizilemesi (Tang ve arkadaşları), büyük hücre tipleme çalışmaları (Zeisel ve arkadaşları) ve dizi tabanlı mekansal transkriptomiğin tanıtılması (Stahl ve arkadaşları) yer almaktadır. Bunlar, klinik kılavuzlardan ziyade metodolojik referanslardır.
Tarihçe
Tek hücreli transkriptomik, 2009 yılında Tang ve arkadaşlarının tek bir hücrenin transkriptomunu dizilemesiyle başlamıştır. 2010'ların ortalarına doğru, damlacık tabanlı barkodlama, yaklaşımı binlerce hücreye ölçeklendirerek Zeisel ve arkadaşlarının beyin atlası gibi sistematik hücre tipi keşfini mümkün kılmıştır. 2016 yılında Stahl ve arkadaşları dizi tabanlı mekansal transkriptomiği tanıtmış, ve sonraki görüntüleme ve dizileme tabanlı mekansal yöntemler çözünürlüğü ve gen kapsamını genişleterek büyük hücre atlası girişimlerini tamamlamıştır.
Tartışmalar
- Mekansal yöntemlerde çözünürlük ve transkriptom kapsamı
- Görüntüleme tabanlı mekansal yöntemler, tek hücreye yakın veya hücre altı çözünürlüğe ulaşabilmekle birlikte, genellikle sınırlı, önceden tanımlanmış bir gen panelini ölçmektedir; dizileme tabanlı yakalama yöntemleri ise tüm transkriptomu daha kaba mekansal çözünürlükte kapsamaktadır. Çözünürlük ve kapsam arasındaki bu denge, aktif bir tasarım sorunu olmaya devam etmektedir.
Öne çıkan isimler
- M. Azim Surani
- Sten Linnarsson
- Joakim Frisen
- Fuchou Tang
İlgili konular
Temel eserler
- tang-2009
- zeisel-2015
- stahl-2016
Sıkça sorulan sorular
- Tek hücreli ifade verileri neden bu kadar seyrektir?
- Her hücre yalnızca az miktarda RNA içermektedir, bu nedenle gerçekten ifade edilen birçok gen belirli bir hücrede yakalanamamaktadır (dropout). Bu durum, hücre başına profilleri gürültülü ve eksik hale getirmektedir; bu nedenle analiz, birçok hücreyi kümeleme yoluyla bir araya getirmeye dayanmaktadır.
- Mekansal transkriptomik, tek hücreli RNA dizilemesinden nasıl farklılaşır?
- Tek hücreli RNA dizilemesi dokuyu ayrıştırmaktadır, bu nedenle hücreler tek tek profillenmekte ancak orijinal konumlarını kaybetmektedirler. Mekansal transkriptomik ise her bir ölçümün dokunun neresinden geldiğini koruyarak ifadeyi ölçmekte, böylece moleküler profillerin anatomik bağlama geri yerleştirilmesine olanak tanımaktadır.
Bu kavram için yöntemler
- Single-cell RNA-seq analysis
- Time-series single-cell RNA-seq analysis
- Single-cell RNA-seq differential expression
- Differential single-cell RNA-seq analysis
- Machine learning-assisted single-cell RNA-seq analysis
- Multi-omics single-cell RNA-seq analysis
- Single-cell sequence alignment
- Single-cell variant calling