NBT：从2D拓展到3D！体积DNA显微镜可从内到外绘制完整生物体的3D空间转录组

近年来，空间转录组作为一种新兴的空间基因表达分析方法，被广泛用于疾病机制、发育过程等研究。该技术结合了测序与成像技术，能够绘制组织中特定基因转录物存在的位置，在保留组织空间位置信息的前提下解析基因表达模式。但空间转录组分析通常涉及空间分辨率、覆盖深度和信号密度之间的权衡，并且依赖于目标探针或空间条形码的预定义坐标系统，将连续的样本进行像素化处理，不利于全面获取样本的遗传和空间信息。此外，已有的测序技术虽然可以提供样本中基因组的大量信息，但尚无法揭示样本中特定基因序列的位置，或者它们与其他基因和分子的关系。因此，在样本中捕获3D遗传和空间信息仍然是一个挑战。

为解决这一挑战，美国芝加哥大学Joshua A. Weinstein博士与Nianchao Qian博士合作开发了新型空间转录组技术“体积DNA显微镜”，可在一次检测中对转录组、基因型和形态进行体积成像，且不依赖于空间组织或基因序列的先验知识。利用该技术，研究人员可以从内到外创建整个生物体的3D空间转录组图像，为了解细胞和机体提供前所未有的基因序列及空间视图。

近日，该成果发表在Nature Biotechnology上，文章题为“Spatial transcriptomic imaging of an intact organism using volumetric DNA microscopy”。研究团队利用体积DNA显微镜技术创建了斑马鱼胚胎的完整3D图像，证明了该方法的有效性，为完整生物组织的基因组学和形态学的综合分析铺平了道路。

简单而言，体积DNA显微镜技术是通过标记每个DNA或RNA构建分子网络来编码它们的相对位置，进而创建遗传物质的空间图谱。其应用的成像技术是以DNA显微镜为基础，即利用独立的化学反应将样本的空间遗传图谱直接编码到DNA分子中，而不依赖于先前的空间或遗传信息，可以同时获取样本核苷酸水平的遗传信息和空间组织信息。但高温热循环原位PCR，在多个长度尺度上重构样本，以及重建空间信息的计算可拓展性等问题使DNA显微镜无法在完整3D组织中应用。

为将DNA显微镜扩展到3D维度，研究团队通过滚环扩增克服了上述挑战。新方法可在没有高温热循环的情况下捕获UEI数据中的多个长度尺度。同时，研究团队开发了一种降维方法GSE，可扩展且稳健地在样本中跨大长度尺度重建分子位置，帮助构建完整样本的3D空间转录组。

体积DNA显微镜技术涉及107个分子，作为唯一分子标记（UMI）的短DNA序列首先被添加到细胞中，并附着在DNA和RNA分子上，通过自我复制产生新序列，这个过程被称为唯一事件标记（UEI），每个配对都是独特的。独特的配对帮助创建了每个基因分子所在序列的空间图谱。距离较近的UMI对比距离较远的UMI对更频繁地相互作用并产生更多的UEI。DNA和RNA测序后，计算模型会通过分析UMI之间的物理联系来重建它们的原始位置，创建基因表达的空间图谱。

图：体积DNA显微镜技术

研究团队利用体积DNA显微镜分析了受精后24小时的斑马鱼胚胎，最终仅利用测序数据成功重构了斑马鱼胚胎的形态，并再现了其3D基因表达模式。

图：斑马鱼胚胎的体积DNA显微成像

Weinstein认为，体积DNA显微镜技术不依赖于对基因组或样本的先验知识，因此可以用于理解独特的未知基因表达。例如，肿瘤会产生无数新的基因突变，因此该技术能够绘制出肿瘤微环境及其与免疫系统相互作用的位置；帮助解开免疫细胞相互作用及其以特定方式对病原体做出反应的遗传机制，指导更精确的癌症免疫疗法或定制个性化疫苗。“我们在了解特殊组织方面仍然存在不足，该技术填补了这一差距，是能够获得淋巴系统或肿瘤组织内独特细胞群真正全面信息的关键基础。”

该研究证明了DNA分子可以作为大量图像数据集的载体，避免了对专门成像仪器的需要，为3D空间遗传成像技术的可扩展性和可访问性奠定了基础。同时，新方法不依赖于基因组和样本的先验知识为研究非模式生物的空间遗传复杂性开辟了途径。研究团队认为，在未来提高化学的基因序列捕获能力，以细胞分辨率全面注释生物信息的3D网络将是一个至关重要的任务。

论文原文：

Qian, N., Weinstein, J.A. Spatial transcriptomic imaging of an intact organism using volumetric DNA microscopy. Nat Biotechnol (2025). https://doi.org/10.1038/s41587-025-02613-z