Nature Methods | 临港实验室魏武团队建立大视野单细胞分辨率全长空间转录组技术Fullscope-seq，助力神经系统疾病机制研究

    大脑由高度多样化的细胞类型和精细复杂的空间结构构成。同一基因可通过选择不同的转录起始位点、可变剪接方式及转录终止位点，产生结构与功能各异的转录本异构体。不同异构体可能编码具有不同蛋白结构、亚细胞定位和生物学功能的产物，是调控神经发育、突触功能和神经环路活动的重要分子基础；其异常表达或使用失衡也与自闭症谱系障碍、精神分裂症、双相情感障碍及其他神经系统疾病密切相关。现有空间转录组多依赖短读长测序或预设探针，难以同时获得完整转录本结构、单细胞定位和厘米级组织视野。

    2026年7月24日，临港实验室魏武团队在Nature Methods发表研究论文Full-length single-cell spatial transcriptomics reveals spatial and cell-type-specific transcript isoforms in the primate brain，建立大视野、单细胞分辨率全长空间转录组技术Fullscope-seq，并首次在灵长类大脑开展单细胞全长空间转录组分析。

    Fullscope-seq使原位捕获的全长cDNA携带空间条形码：短读长数据用于重建组织结构和注释细胞类型，长读长数据用于解析完整转录本、可变剪接及转录起始和终止位点。团队进一步建立生物素辅助富集、程序化cDNA串联和空间条形码恢复算法，将多个cDNA连接为长分子后再准确拆分和定位，从而兼顾通量、读长与空间信息。流程兼容多种长读长平台。

    在最大约5cm×3cm的食蟹猴脑切片中，Fullscope-seq实现500nm空间坐标分辨率和单细胞分析。相较既有的全长空间转录组技术方案，其切片覆盖面积扩大约35倍，空间条形码多样性提高约120万倍，并鉴定出6,434个此前未被注释的转录本异构体。

图1. Fullscope-seq实验原理、程序化cDNA串联及空间条形码解析流程

    Fullscope-seq首次系统解析了灵长类大脑不同脑区、皮层层次及细胞类型的转录本异构体使用特征，尤其揭示了皮层浅层与深层之间此前难以捕捉的可变剪接差异。在皮层、小脑、海马等七个主要脑区中，研究团队共鉴定出1,445个差异转录本使用基因；在皮层浅层（L1–L3）与深层（L4–L6）之间，进一步发现32个具有显著转录本使用差异的基因。以DDRGK1为例，其特定异构体DDRGK1-FS1在浅层的使用比例为63.0%，而在深层仅为39.7%。该异构体采用近端转录起始位点，可能改变蛋白质N端结构。上述层特异性模式在独立样本中得到重复，并经RNA原位杂交验证，表明大脑皮层分层不仅体现为基因表达水平的差异，还存在精细的转录本结构与选择性使用调控。

图2. Fullscope-seq技术解析食蟹猴大脑冠状切面RNA亚型

    在细胞类型层面，研究从388,443个细胞中鉴定出1,105个差异转录本使用基因，其中约85%没有显著的基因表达量变化，说明大量细胞类型特异性调控无法通过传统基因表达矩阵发现。模型分析进一步显示，43%的差异主要由空间区域解释，13%主要由细胞组成解释，44%同时受两者影响，提示空间微环境本身也参与调控转录本选择。

图3. 食蟹猴大脑不同脑区及皮层层次的转录本异构体使用特征

    研究团队随后将Fullscope-seq图谱与人类遗传学及疾病转录组数据进行整合，发现空间差异转录本基因显著富集于自闭症谱系障碍、神经发育障碍、双相情感障碍、精神分裂症和癫痫等疾病相关基因集合。进一步分析识别出283个与自闭症谱系障碍、双相情感障碍或精神分裂症相关的差异转录本异构体，涉及265个基因。这些异构体在人与食蟹猴之间具有保守的内含子结构，为利用非人灵长类模型研究人类脑疾病相关剪接机制提供了重要依据。

图4. 食蟹猴不同脑区的主要异构体切换及其与神经精神疾病的关联

    Fullscope-seq将基因表达、完整转录本结构、细胞类型、组织空间位置及疾病遗传关联整合至统一的分子坐标体系，为构建具有转录本分辨率和空间感知能力的“虚拟细胞”及数字孪生模型提供了关键数据基础。未来结合多组学、时间序列和扰动实验，该框架有望用于模拟疾病相关剪接异常在不同细胞类型和脑区中的发生过程，识别关键调控因子，并支持神经系统疾病候选机制解析、潜在治疗靶标发现与优先级评估。

    临港实验室魏武研究员为通讯作者，临港实验室刘恒心博士、洪延泓博士和张垚博士研究生为共同第一作者。研究得到临港实验室、上海市东方英才计划领军项目，上海市学术带头人等项目资助。