Cell重磅研究：科学家开发SPAC-seq，开启“空间功能基因组学”新时代

       传统CRISPR筛选技术能够系统寻找影响细胞功能的关键基因，但通常只能回答：“哪个基因影响了细胞状态？”，却无法进一步解释：“这个基因在组织中的哪个位置发挥作用？”、“它如何影响周围细胞？”、“它如何改变疾病微环境？”。

       近年来，空间转录组技术的发展，使研究人员能够在组织水平解析细胞空间分布。然而，将基因功能扰动与空间位置变化直接关联，一直是功能基因组学领域的重要挑战。近日，北京大学、清华大学及BGI Research等单位合作团队在国际期刊Cell杂志发表研究，开发了一种全新的空间CRISPR筛选技术：SPAC-seq（Spatial CRISPR screen sequencing）。该技术首次实现CRISPR基因扰动、单细胞转录组与空间定位信息的深度融合，突破传统技术瓶颈。该技术搭配自主开发的TARDIS分析工具，可完整构建“基因扰动—细胞状态改变—微环境重塑”分析体系，精准解析基因的原位功能效应。

        SPAC-seq实验流程：将混合sgRNA文库导入目标细胞类型中。基于荧光信号的细胞分选后，将这些经过基因扰动的细胞注射到具有相同遗传背景（同系）的小鼠模型中特定的组织部位或器官中。随后，利用体内生物选择过程（例如肿瘤转移或T细胞浸润等过程）对细胞进行筛选。研究人员收集目标组织，将其制备成组织切片，并利用具有单细胞分辨率的空间转录组学平台（如Visium HD或Stereo-seq）进行分析。通过这一流程，SPAC-seq能够在组织空间环境中同时解析基因扰动信息、细胞转录状态以及空间定位特征，从而揭示不同基因对细胞功能和组织微环境的影响。  

       CRISPR文库筛选（pooled CRISPR screens）已被广泛用于鉴定参与肿瘤转移过程的关键基因。为了进一步验证SPAC-seq技术的应用价值，研究团队利用该技术研究了肿瘤转移早期阶段，重点关注肿瘤细胞定植过程以及其与局部微环境之间的相互作用。研究人员首先将1,520条sgRNA文库导入MC38-Cas9细胞，随后通过静脉注射方式将这些基因扰动后的细胞输入免疫功能完整的小鼠模型中。14天后，研究人员收集肺转移灶进行分析。最终，研究团队在空间转录组数据中成功检测并复现了1,520条sgRNA中的952条（62.23%），每个肿瘤组织切片平均检测到612.33条sgRNA。为了分析这一高维度空间组学数据，研究团队开发了：TARDIS（空间组学扰动数据靶点优先级分析工具），这一统计分析工具用于处理包含基因扰动信息的空间转录组数据。

在结肠癌模型中，研究团队通过该技术发现Icam1基因缺失会减少CD8⁺T细胞浸润、富集免疫抑制巨噬细胞，重塑肿瘤免疫微环境，促进肿瘤转移。

总之，SPAC-seq打破基因功能研究的二维局限，让基因编辑研究从“看改变”升级为“看位置、看机制、看微环境”，正式开启空间功能基因组学研究新方式。

参考文献

Zhang H, Zhang Z, Wang P, et al. Uncovering spatially resolved functional genomics with CRISPR screen sequencing.Cell. 2026;189(15):4594-4618.e48.  IF: 45.1 Q1