转录组学与基因表达分析
转录组学是对转录组（即基因组在特定条件下产生的所有RNA转录本的完整集合）的研究，而基因表达分析是用于测量哪些基因被转录、转录量以及在哪些细胞中转录的方法家族。由于基因组在很大程度上是固定的，而表达在不同组织、发育阶段和疾病状态下有所不同，因此转录组是基因型如何转化为细胞功能的动态读数。
Definition
转录组学和基因表达分析包括用于对细胞、组织或生物体中的RNA转录本进行编目和定量的技术和分析方法，以表征基因活性及其调控。
Scope
本领域旨在引导读者了解如何测量和解释RNA丰度。它涵盖了主要的测量平台（微阵列和高通量RNA测序）、遗传变异与表达的映射（表达数量性状基因座）、单个细胞和组织位置的分辨率（单细胞和空间转录组学），以及选择性剪接和非编码RNA的调控层面。它将这些视为基因组学中的方法学和概念性主题，而非临床指导。
Sub-topics
Core questions
- 在给定细胞或组织中，哪些基因被表达，表达水平如何？
- 健康状态与疾病状态等不同条件下，基因表达有何差异？
- 遗传变异和调控元件如何影响转录本的丰度和结构？
- 在单细胞分辨率和组织内空间位置上，基因表达是如何组织的？
Key concepts
- 转录组
- 差异基因表达
- 基于杂交的测量（微阵列）
- 基于测序的测量（RNA测序）
- 读取计数和标准化
- 表达数量性状基因座（eQTL）
- 单细胞和空间分辨率
- 选择性剪接和非编码RNA
Mechanisms
基因表达的测量方法有两种：一种是将标记的转录本与芯片上的互补探针进行杂交，从而产生每个探针的相对荧光信号；另一种是通过逆转录和测序RNA片段，并计数映射到每个基因或转录本的读取数。微阵列将表达与固定的探针组进行比较，而RNA测序直接对转录本进行采样，从而可以发现新的转录本、异构体和剪接位点，并具有更宽的动态范围。下游分析对测序深度和组成差异进行标准化，然后测试不同条件下的差异丰度；相同的读取水平数据可以按遗传变异（eQTL作图）、按单个细胞（单细胞RNA测序）或按空间坐标（空间转录组学）进行划分。
Clinical relevance
表达谱分析是疾病分子分类的基础——例如，肿瘤的转录亚型——也是几种研究和诊断性基因表达检测的基础。作为一个参考领域，它解释了RNA水平证据是如何产生和解释的；它描述了探究方法，而不是个体诊断或治疗决策的依据。
Evidence & guidelines
方法学文献以基础平台论文（Schena及其同事1995年的cDNA微阵列；Wang及其同事的RNA测序综述）以及大型参考资源（如ENCODE功能性DNA元件百科全书和GTEx组织水平调控效应图谱）为基础，这些共同定义了测量和解释人类基因表达的当前标准。
History
表达测量从低通量方法（如Northern印迹）转向基因组规模的分析始于20世纪90年代中期，当时互补DNA和寡核苷酸微阵列使得数千个基因可以同时被监测。21世纪初，高通量测序将该领域重新定义为RNA测序，它直接计数转录本并解析异构体结构。随后的进展将分辨率推向单细胞和组织内的空间位置，而ENCODE和GTEx等联盟项目则构建了表达及其遗传控制的参考图谱。
Key figures
- Patrick O. Brown
- Mark Gerstein
- Michael Snyder
- Barbara Wold
Related topics
Seminal works
- schena-1995
- wang-2009
- encode-2012
- gtex-2020
Frequently asked questions
- 基因组和转录组之间有什么区别？
- 基因组是生物体（基本固定不变的）DNA序列，而转录组是在特定时间和地点实际产生的RNA转录本的集合。因此，转录组会因细胞类型、条件和状态而异，使其成为基因活性的动态读数。
- 为什么RNA测序在许多研究中已基本取代了微阵列？
- RNA测序直接测量转录本，而不是通过与固定探针杂交，因此它可以检测新的转录本和异构体，提供更宽的动态范围，并且不依赖于对探针序列的先验知识。在定义好的探针组和较低成本足以满足需求的情况下，微阵列仍然有用。