Séquençage in situ par paires de haute capacité pour la multi-omique spatiale à résolution subcellulaire

Contexte et buts de la recherche

Avec le développement continu de la recherche biomédicale, l’application des technologies multi-omiques dans l’étude des fonctions cellulaires et des mécanismes des maladies attire de plus en plus l’attention. Cependant, à l’heure actuelle, de nombreuses méthodes de séquençage in situ se limitent à l’interprétation de l’information spatiale d’un seul type de biomolécule, et la co-détection de multiples biomolécules (telles que l’ADN, l’ARN, les protéines et les petites molécules) in situ reste un défi. De plus, en raison de la limitation de la capacité de décodage 4n (4 représentant quatre colorants fluorescents, n représentant le nombre de cycles de séquençage ou d’hybridation), la multi-omique spatiale de haute capacité doit encore être améliorée en termes de coût et d’efficacité de la détection. Pour résoudre ces problèmes, cet article rapporte une nouvelle méthode de séquençage in situ ciblé de haute capacité - le séquençage par paires in situ multi-omique (MIP-Seq), une méthode capable de détecter efficacement diverses biomolécules dans les tissus cérébraux, offrant de nouvelles possibilités pour l’analyse multidimensionnelle des cartes moléculaires et fonctionnelles.

Source de l’article

Cette étude a été rédigée par Xiaofeng Wu, Weize Xu, Lulu Deng et d’autres chercheurs de l’université agricole de Huazhong, publiée dans la revue « Nature Biomedical Engineering ». Le DOI de l’article est https://doi.org/10.1038/s41551-024-01205-7 et il a été accepté le 1er avril 2024.

Déroulement de la recherche

Description détaillée du workflow

Le workflow de cette étude comprend plusieurs étapes : 1. Conception et hybridation des sondes : Conception de sondes pour marquer les molécules cibles, y compris des sondes padlock, des amorces et des sondes de détection. Les sondes sont incubées avec l’ARN cible à 37°C toute la nuit pour obtenir une liaison spécifique.

1. Ligation et amplification par cercle roulant : Utilisation de la Splintr ligase pour la ligation spécifique, formant ainsi des modèles d’amplification par cercle roulant. Ensuite, l’amplification par cercle roulant (RCA) est réalisée à 30°C pendant deux heures pour amplifier le signal.

2. Séquençage de haute capacité et décodage du signal : Grâce à la stratégie de séquençage par paires, chaque cycle de séquençage décode simultanément deux paires de codes-barres, ce qui augmente considérablement le throughput de la détection des gènes et réduit le nombre de cycles de séquençage et le coût. Après chaque cycle de séquençage, les signaux fluorescents sont enregistrés en utilisant une technique de microscopie à haute sensibilité.

3. Traitement des images et analyse des données : Utilisation de techniques d’analyse d’images assistées par apprentissage profond pour l’enregistrement, le décodage et la segmentation cellulaire des images de séquençage multi-cycles.

Principaux résultats expérimentaux

1. Efficacité de la détection de l’ARN : En utilisant MIP-Seq pour détecter la transcription des gènes GAPDH et MTOR chez l’homme, les résultats montrent que l’efficacité de la détection de MIP-Seq atteint 96% de celle de la méthode hcr3.0-FISH pour chaque cellule.

2. Cartographie spatiale des modèles d’expression des gènes : Dans les tissus cérébraux de souris, MIP-Seq détecte les modèles d’expression spatiale des gènes KIF5A et SNHG11 et confirme leur localisation dans le cytoplasme et le noyau, respectivement.

3. Détection de gènes multiplex et reconstruction en 3D : Grâce à MIP-Seq, 10 gènes, dont CALB1, GAD1 et PLP1, ont été détectés dans des sections cérébrales longitudinales complètes de souris et la structure d’expression tridimensionnelle de ces gènes a été construite.

Conclusion et signification

MIP-Seq démontre un potentiel énorme pour la détection in situ multi-omique de haute capacité, pouvant détecter des biomolécules variées telles que l’ADN, l’ARN, les protéines et les neurotransmetteurs. Grâce à son haut débit et à la précision de détection des nucléotides simples, cette méthode peut être appliquée à l’étude des fonctions cellulaires, à l’exploration des mécanismes des maladies et au diagnostic précis du cancer.

Points forts de la recherche

• Haute capacité de décodage : Le séquençage par paires de codes-barres de MIP-Seq augmente considérablement la capacité de séquençage (10n contre 4n).
• Applications multi-omiques : Permet la détection in situ de haute capacité de multiples biomolécules, y compris l’ADN, l’ARN, les protéines et les neurotransmetteurs.
• Réduction des coûts expérimentaux : Réduction du nombre de cycles de séquençage et du temps d’imagerie, abaissant ainsi considérablement les coûts expérimentaux.

Autres contenus importants

Au cours de la recherche, MIP-Seq a été utilisé pour détecter les mutations des gènes tumoraux, distinguer l’expression spécifique des gènes parentaux et les modifications épigénétiques. De plus, MIP-Seq a combiné l’imagerie calcique et l’imagerie par spectroscopie Raman, intégrant l’activité fonctionnelle et les profils d’expression génétique dans une même cellule, fournissant ainsi de nouvelles perspectives pour les recherches multi-omiques futures. MIP-Seq offre une plateforme puissante et flexible pour l’analyse tissulaire et cellulaire à haut débit et multidimensionnelle, et son potentiel d’application étendue contribuera à révéler des mécanismes biologiques plus complexes et à promouvoir le développement de la médecine de précision.