《Nature Neuroscience》：Optics-free spatial genomics for mapping mammalian brain aging by IRISeq
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空间转录组学已成为原位绘制细胞异质性和相互作用的变革性方法，然而现有方法通常在通量、成本和组织覆盖度方面存在妥协。在此，研究人员介绍了利用索引测序进行成像重建（Imaging Reconstruction using Indexed Sequencing, I
空间转录组学已成为原位绘制细胞异质性和相互作用的变革性方法，然而现有方法通常在通量、成本和组织覆盖度方面存在妥协。在此，研究人员介绍了利用索引测序进行成像重建（Imaging Reconstruction using Indexed Sequencing, IRISeq）：这是一种无光学、经济高效的平台，利用空间相互作用映射通过索引测序在可调节尺寸和分辨率（5–50?μm）下分析组织。研究人员将IRISeq应用于绘制来自成年和老年小鼠大脑的超过70个冠状切片的基因表达图谱，包括野生型和两种淋巴细胞缺陷模型（Rag1和Prkdc突变体），并生成了超过460,000个空间转录组图谱。研究人员与783,264个单细胞转录组的整合分析揭示了区域特异性的衰老特征，这些特征是淋巴细胞依赖性的，特别是在脑室区域的干扰素信号和炎症在淋巴细胞耗竭后下调，同时伴随着突变体特异性的衰老途径上调。此外，淋巴细胞缺陷与排列在脑室周围并维持脑脊液流动的细胞——室管膜细胞丰度的保留以及独特的小胶质细胞状态动态有关，强调了淋巴细胞在驱动大脑衰老过程中炎症过程的关键作用。总体而言，IRISeq提供了一种高通量且经济高效的空间分辨转录组分析解决方案，为阐明衰老背后的区域特异性细胞机制并识别潜在的治疗靶点以保存大脑稳态开辟了新途径。
研究背景与立项依据
理解分子和细胞的空间组织对研究衰老和疾病中的细胞网络动态至关重要。尽管最近空间转录组学的进展，如多重原位杂交和索引寡核苷酸捕获阵列，极大地扩展了在全基因组范围内分析解剖位置RNA表达的能力，但现有方法在通量、成本和组织全面覆盖方面仍面临限制。具体而言，原位杂交等方法受限于成像速度，而索引阵列方法（如10x Visium、Slide-seq）通常受限于可扩展性、区域覆盖度或光学成像的技术挑战。因此，开发一种稳健、高通量且具有成本效益的测序平台用于复杂组织的区域特异性转录组分析显得尤为迫切。为此，研究人员开发了IRISeq（Imaging Reconstruction using Indexed Sequencing）平台，并将其应用于哺乳动物大脑衰老的机制研究，相关成果发表在《Nature Neuroscience》。
关键技术方法
本研究主要采用IRISeq技术，其核心是利用DNA条形码微珠捕获邻近细胞mRNA并通过局部相互作用推断微珠位置，实现无光学成像的空间图谱构建。研究人员构建了野生型（WT）及两种淋巴细胞缺陷模型（Rag1和Prkdc突变体）的小鼠队列，对超过70个成年及老年小鼠脑冠状切片进行了IRISeq分析。同时，结合已发表的超过783,264个单细胞核转录组数据（EasySci平台）进行整合分析。数据处理采用主成分分析（PCA）和均匀流形逼近与投影（UMAP）算法重构空间位置，并利用鲁棒细胞类型分解（RCTD）方法进行空间细胞类型去卷积。差异表达分析使用Monocle2进行似然比检验。
研究结果
IRISeq概述与验证
研究人员优化了IRISeq实验流程，通过制备携带独特条形码的“接收微珠”和带有光裂解接头的“发送微珠”，利用微珠间的局部相互作用信号推断空间位置。初步验证显示，该技术能够以约30美元的成本分析单个组织切片，并在0.6 cm × 0.6 cm至1.5 cm × 1.5 cm的阵列上实现高通量分析。通过调整微珠尺寸（5–50 μm），IRISeq实现了从全脑切片到高分辨率（10 μm）肾脏切片的灵活应用，其重建图像能够准确反映已知的解剖结构，并与10x Visium数据高度一致。
基于IRISeq的小鼠脑空间转录组图谱
研究人员利用IRISeq分析了24个来自成年（4个月）和老年（23个月）野生型C57BL/6小鼠大脑的冠状切片，覆盖了从前额叶皮层到背侧皮层、海马、丘脑和下丘脑等多个区域。通过整合已发表的数据集，研究人员成功注释了25个不同的脑区，并鉴定出高度区域特异性的基因特征和细胞类型分布。跨重复样本的相关性分析证实了空间转录组图谱的可重复性。
区域特异性基因表达程序的年龄相关变化
通过对25个脑区的差异表达基因（DEG）分析，研究人员发现老年大脑中普遍存在线粒体功能、核糖体功能和纤毛功能相关基因的下调，以及免疫应答通路（如补体和干扰素反应）的上调。值得注意的是，干扰素反应的最大变化发生在脑室区域，这是大脑衰老的主要炎症部位。此外，研究还观察到了一些区域特异性的变化，例如在血管区域平滑肌相关基因的显著下调，以及在脑室、白质和下丘脑中淋巴细胞标记物的上调。
区域特异性细胞类型丰度和细胞间相互作用的年龄相关变化
利用RCTD方法整合单细胞数据，研究人员绘制了衰老过程中特定脑区细胞群的动态变化。结果显示，老年大脑中嗅觉球神经母细胞和神经祖细胞显著减少，而疾病相关小胶质细胞（DAM）、反应性少突胶质细胞和边界相关巨噬细胞（BAM）显著增加。通过量化同一微珠上的细胞共定位，研究人员发现了499对随衰老显著改变的细胞相互作用，其中最显著的是在白质区域DAM、反应性少突胶质细胞和活化星形胶质细胞之间形成的“DAM niche”，这一发现通过超几何检验证实了其统计学显著性。
揭示淋巴细胞驱动的小鼠脑衰老机制
为了探究淋巴细胞在脑衰老中的作用，研究人员对两种免疫缺陷小鼠模型（Rag1和Prkdc突变体）进行了IRISeq分析。结果显示，与野生型相比，突变体中干扰素相关基因表达显著降低，尤其是在侧脑室区域和白质。相反，室管膜细胞和脉络丛上皮细胞的标记物表达增加，表明淋巴细胞耗竭有助于维持这些细胞群体。进一步的单细胞转录组分析（EasySci）揭示了783,264个高质量细胞核图谱，证实了淋巴细胞缺失导致脑室区域干扰素信号抑制，并伴随一种独特的Dhcr7+ Tmtc2+小胶质细胞状态的出现，而经典的DAM群体变化极小。
结论与讨论
本研究提出的IRISeq是一种极具成本效益（约30美元/切片）且可扩展的无光学空间转录组学平台，克服了传统成像方法在通量和成本上的限制。通过对野生型和淋巴细胞缺陷小鼠大脑的大规模图谱绘制，研究阐明了淋巴细胞在驱动脑衰老过程中区域特异性炎症（特别是干扰素信号）的核心作用。研究发现，淋巴细胞耗竭能够减轻脑室区域的炎症，并保留随年龄增长通常会减少的室管膜细胞。此外，该研究还揭示了衰老过程中白质区域DAM、反应性少突胶质细胞和活化星形胶质细胞之间异常的细胞间相互作用网络。IRISeq技术的建立及其在脑衰老研究中的应用，为解析复杂器官的区域特异性分子机制提供了强有力的工具，并为针对脑稳态维持的潜在治疗靶点识别奠定了基础。
