单细胞转录组测序目前已成为生物学研究中的核心技术手段，其能够帮助研究人员获得组织样品中单细胞水平的基因表达信息。然而，传统的单细胞测序流程需要先将组织消化为单细胞悬液，这一过程会造成细胞空间位置信息的丢失。已有的空间分辨单细胞转录组原位测序技术往往受限于低空间分辨率、低通量和高背景等问题。

近日，北京大学化学与分子工程学院陈兴课题组、黄岩谊课题组与北京大学第一医院杨莉课题组合作开发了一种全新的空间分辨单细胞测序技术（OpTAG-seq）。该方法利用光激活的亚甲基苯醌探针对特定位置的细胞进行荧光标记，随后将被标记的细胞进行分离和单细胞二代建库测序，在获得高质量单细胞测序数据的同时保留了细胞的空间位置信息。

为了实现高空间分辨率的细胞标记，作者设计并合成了光激活探针ONPF，并基于其开发了光控细胞标记策略OpTAG。在紫外光照射下，ONPF转化生成具有极强反应活性的亚甲基苯醌中间体。在活细胞表面，该中间体能快速地与细胞膜上的蛋白质等亲核试剂进行共价连接。作者在探针上引入生物素报告基团，并利用荧光修饰的链霉亲和素对标记进行表征。作者证明这一探针能够在活细胞表面实现很高空间分辨率的标记。通过多轮标记和颜色组合，OpTAG最多可以在一份样品中同时实现7个位置的标记，且标记的空间分辨率可以达到单细胞水平。

作者随后将OpTAG标记，流式分选与单细胞测序结合，发展了一种新的空间分辨单细胞测序技术OpTAG-seq。作者利用OpTAG-seq探究了癌症迁移过程的基因表达调控。在体外构建的癌细胞迁移模型中，作者分别对外部具有高迁移活性和内部的癌细胞进行OpTAG-seq分析。结果显示，这两部分细胞在降维分析中具有明显的分界，说明其基因表达具有较大差异。作者鉴定到许多在高迁移活性细胞中上调或下调的基因。其中，上调的这些基因显著地富集在细胞迁移和细胞运动等功能条目中。作者对其中两个靶标进行了免疫荧光验证，发现KRT17显著地在外部细胞高表达，而MUC16则在内部细胞高表达，与测序结果高度一致。此外，作者还成功利用OpTAG在小鼠肾脏切片中对不同区域进行高效荧光标记，证明这一方法在组织层面也具有广阔的应用前景。以上结果说明OpTAG-seq能够有效地实现空间分辨单细胞转录组测序，为研究细胞和组织中基因表达的时空调控提供了有力的化学工具。

该工作近日以“Optical Cell Tagging for Spatially Resolved Single-Cell RNA Sequencing”为题发表在Angewandte Chemie International Edition。博士生唐麒和刘璐为文章共同第一作者。郭怡兰、张旭、张绍然、贾燕博士、杜逸飞博士、成波博士等为该工作做出了重要贡献。陈兴教授、黄岩谊教授和杨莉教授为该论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心以及北大-清华生命科学联合中心的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202113929