Xenium 原位分析｜Xenium mMulti 379基因功能及应用场景

Xenium空间原位分析技术是10x Genomics 继Visium空间转录组技术后推出的又一重磅原位组学技术。相较于Visium，Xenium通过多模态的染色在空间上达到真正的单细胞分辨率“Xenium最新革命性技术大升级，重新定义细胞边界 | Xenium专题”，帮助我们实现单细胞分辨率的靶向基因和蛋白表达原位分析，同步还可以实现个性化基因的探针定制，实验高通量的原位分析和研究。

本次和大家分享的是Xenium 9大panel之一的Xenium mMulti（小鼠泛组织）可以一次性检测379个基因的空间定位信息以及高达100个基因的个性化定制，全面解析mMulti panel中所包含的基因在小鼠不同组织中的研究。

我们从①panel基因富集通路；②经典富集通路及典型案例解析分享等方面带大家了解Xenium mMulti，以便后续进行实验设计

一、panel基因富集通路

通过对mMulti panel中所包含的基因进行功能注释和富集分析之后，发现其中所涉及的基因除了在行使本身marker基因，进行细胞注释的功能之外，我们还发现大部分的基因同步注释在小鼠模型相关研究（自身免疫疾病/发育/肿瘤）中常见的明星通路之中，例如Complement and coagulation cascades、Arginine and proline metabolism、Glycine, serine and threonine metabolism等，其中不乏一些常见的明星基因（ALDH1B1,CNDP2,DAO等），图中仅展示了其中一部分的通路和明星基因，如关注其他的通路和基因具体可点击链接查看其他的明星通路和所包含的基因“  https://biit.cs.ut.ee/gplink/l/JUrkxGd-TL”。

二、经典富集通路及典型案例解析

Complement and coagulation cascades是免疫系统和血液系统中的两个关键组成部分，它们在小鼠的生长发育以及疾病发生发展中扮演着重要角色。补体系统通过识别和清除病原体以及调节免疫反应，对维持小鼠的免疫平衡至关重要。凝血级联则负责血液凝固，防止出血，同时也参与炎症反应和组织修复。这两个系统在生理状态下相互协调，但在病理状态下，它们的失衡可能导致如自身免疫疾病、感染性疾病以及血栓性疾病的发生发展。例如，补体系统的过度激活可能引起组织损伤，而凝血级联的紊乱可能导致出血或血栓形成，影响小鼠的健康和生长发育。因此，研究这两个系统在小鼠疾病模型中的相互作用和调控机制，对于理解相关疾病的发病机理和开发新的治疗策略具有重要意义。

该研究发现，热射病(HS)中引起的损伤以热细胞毒性和炎症加剧为特征，直接导致死亡率升高。临床评估已确定胆红素水平升高是Kupffer细胞(KCs)功能障碍的指标。研究结果发现，热射病(HS)小鼠模型中导致的肝损伤中KC富集了与补体和凝血级联相关的信号通路。探究Complement and coagulation cascades在疾病中的相互作用和调控机制，对于理解相关疾病的发病机理和开发新的治疗策略具有重要意义。

Arginine and proline metabolism是小鼠生长发育和疾病发生发展中的关键代谢途径。精氨酸在小鼠体内不仅是蛋白质合成的基本氨基酸，而且在免疫反应、细胞增殖和伤口愈合等生理过程中发挥着重要作用。脯氨酸则是胶原蛋白合成的必需氨基酸，对维持组织结构和功能至关重要。精氨酸和脯氨酸代谢的异常可能影响小鼠的正常生长，导致发育障碍。此外，精氨酸代谢失衡与多种疾病有关，如心血管疾病、肿瘤以及自身免疫疾病，而脯氨酸代谢的紊乱则可能与纤维化疾病相关。因此，精氨酸和脯氨酸代谢的调控对于小鼠的健康和疾病预防具有重要意义，深入研究这些代谢途径有助于开发新的治疗策略，以改善小鼠模型中的疾病状况。

证实了精氨酸通过与RBM39结合调控代谢相关基因的表达促进肝脏肿瘤的发生。研究者从mTOR激活的HCC小鼠模型（敲除了肿瘤抑制因子TSC1和PTEN，以下简称为L-dKO）中分离出肝癌组织进行非靶向代谢组学。通过代谢通路富集分析发现在L-dKO组织中，精氨酸代谢发生了显著变化。作者通过靶向液相色谱串联质谱测量单个氨基酸水平，发现在L-dKO肿瘤组中精氨酸水平升高。免疫印迹证实L-dKO组精氨酸合成酶表达降低，精氨酸转运蛋白表达升高。同时，体外精氨酸转运实验中证实在肝肿瘤中精氨酸摄取增加，表明L-dKO肿瘤通过增加精氨酸的摄取补偿精氨酸合成的下调。接下来，为了研究精氨酸水平是否对肿瘤的发展至关重要，作者分别用含有标准饮食（100%精氨酸）、10%精氨酸、1%精氨酸的饮食喂养8-20周龄两组小鼠。结果限制精氨酸饮食下，L-dKO组小鼠肿瘤负荷显著减轻，同时非肿瘤组织中精氨酸水平降低，而肿瘤组织中精氨酸水平仍旧升高，表明高水平精氨酸具有作为促进肝肿瘤发展的重要作用。

Glycine, serine and threonine metabolism（甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸）是小鼠生长发育中必需的氨基酸，它们在多种生物学过程中扮演着关键角色。甘氨酸参与合成胶原、血红蛋白和核苷酸，对细胞结构和功能至关重要；丝氨酸是细胞膜磷脂的组成成分，参与神经递质的合成，对神经系统的发育和功能至关重要；苏氨酸则对骨骼和心肌组织的正常发育有重要作用。这些氨基酸的代谢紊乱可能影响小鼠的正常生长和发育，增加疾病易感性。例如，甘氨酸代谢障碍可能与神经退行性疾病有关，丝氨酸代谢异常与某些癌症的发展相关，而苏氨酸缺乏可能影响骨骼肌健康。因此，维持这些氨基酸代谢的平衡对于小鼠的健康和疾病预防具有重要意义。

慢性热量限制(CR)对健康和生存的影响是复杂的，人们对其潜在的分子机制知之甚少。研究以小鼠为研究对象CR研究，虽然饮食结构不会影响寿命，但禁食时间和总卡路里摄入量是提高存活率的决定性因素。本研究通过转录+蛋白+代谢多组学联合分析和综合途径富集，探讨两种饮食和不同喂养策略的小鼠寿命和健康相关的代谢枢纽，发现甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢轴可能参与长寿及其相关的分子机制。不同喂养策略的直接比较揭示了一种共同的改善健康、增加寿命的代谢模式，包括短链脂肪酸和必需的多不饱和脂肪酸新陈代谢。

[1] Li R, et al. “Heme oxygenase 1-mediated ferroptosis in Kupffer cells initiates liver injury during heat stroke.” Acta Pharmaceutica  Sinica B, https://doi.org/10.1016/ j.apsb.2024.05.007.

[2]  Mossmann, Dirk et al. “Arginine reprograms metabolism in liver cancer via RBM39.” Cell vol. 186,23 (2023): 5068-5083.e23.

[3] Aon, Miguel A et al. “Untangling Determinants of Enhanced Health and Lifespan through a Multi-omics Approach in Mice.” Cell metabolism vol. 32,1 (2020): 100-116.e4.

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