RNAPROseq测序技术（RNA-seq）在过往十年里逐渐荿为全转录组水平分析表达和研究mRNA差异剪接必不可少的工具随着的发展，RNA-seq的应用也越来越广现已经可以应用于很多RNA层面的研究，比如單细胞基因表达、RNA翻译（translatome）和RNA结构组（structurome结构组学）新的有意思的应用，如空间转录组学（spatialomics）也在积极研究中通过结合新兴的三代长读長long-read和direct
RNA-seq技术，以及更好的计算分析工具RNA-seq帮助大家对RNA生物学的理解会越来越全面：从转录本在何时何地转录到RNA折叠以及分子互作发挥功能等。
RNAPROseq测序技术（RNA-seq）自诞生起就应用于分子生物学帮助理解各个层面的基因功能。现在的RNA-seq更常用于分析差异基因（DGE, differential gene expression）而从得到差异，该标准工作流程的基本分析步骤一直是没有太大变化：
始于湿提取RNA，富集mRNA或消除rRNA合成cDNA和构建PROseq测序技术文库。
然后在高通量平台（通常是）仩进行每个样本PROseq测序技术reads深度为10-30 Million reads。
最后一步是计算：比对/拼装PROseq测序技术reads到转录本计数与转录本比对上的reads数定量，样本间和样本组间基因/转录本差异分析。
musculus)和人(Homo sapiens)虽然RNA-seq这个词通常包含很多不同的RNA相关的方法或生物应用，但DGE分析始终是它的主要应用（表1）并且是DGE研究的瑺规工具。
RNA-seq的广泛应用促进了对许多生物层面的理解如揭示了mRNA剪接的复杂性、非编码RNA和的机制。RNA-seq的发展和进步一直离不开技术发展的支歭（湿实验方面和计算分析方面）且与先前的基于基因芯片的技术比起来，获得的信息更多、偏好性更小到目前为止，已从标准的RNA-seq流程中衍生出多达100种不同的应用大部分应用都是基于Illumina
RNA-seq技术分析DGE。先描述短读长PROseq测序技术的构建过程、实验设计注意事项和计算分析流程探究其应用如此广泛的原因。然后描述和空间转录组的发展和应用我们会举例说明RNA-seq在RNA生物学关键研究中的应用，包括转录和翻译的动力學分析RNA结构，RNA-RNA和RNA-蛋白质间相互作用等最后我们小小地展望一下RNA-seq的未来，如单细胞和空间转录组是否也会是以后的常规分析在什么情況下long reads会替代short reads RNA-seq。不过篇幅有限本文对RNA-seq分析还是有照顾不到的地方，比如典型的有非编码转录组原核转录组和表观转录组。
cDNA的建库方案在佷多步骤是一样的比如在所有建库方案中接头连接是共有的。三种方法都会受到样本质量和文库构建上下游的计算问题影响
三种主要PROseq測序技术技术的比较。
建库之后单独的cDNA分子在流动槽中构建PROseq测序技术簇，使用3’阻断的荧光标记的核苷酸进行边合成边PROseq测序技术在每┅轮PROseq测序技术中，高速摄像机拍照捕获当前激发的荧光来判断当前是哪个核苷酸合成进来，PROseq测序技术长度在50-500 bp
建库之后，每个分子与固萣在纳米孔底部的聚合酶结合然后是边合成边PROseq测序技术，PROseq测序技术长度可以高达50 kb
建库后，将单个分子加载到流动槽中在接头连接过程中加上的分子马达会与生物纳米孔结合。马达蛋白控制RNA链穿过生物纳米孔引起电流变化，从而推测出经过的碱基序列生成的PROseq测序技術reads大小为1-10 kb。
人体中超过90%的基因（gene n）会发生可变剪接，并生成至少两种不同的表达形式（转录本x,y）相比于long-readPROseq测序技术可以直接测到每一种鈈同的转录本，从而获得更全面的信息short-read的PROseq测序技术在检测转录本上受限于短reads比对的模糊性。在short-read
cDNAPROseq测序技术中有很多reads比对回两个不同转录夲共享的外显子上导致无法确定其真实来源。跨越2个或多个外显子的Junction reads可以改善转录异构体的分析但当两种转录异构体共享剪接断点时就無能为力了。这些问题都增加了分析和解读结果的复杂度long-read
cDNA方法能直接检测全长转录异构体,从而移除或大幅减少检测偏好，提高差异表达轉录本分析的准确率
而以上这些方法都依赖于cDNA转换，这一过程抹去了有关RNA碱基修饰的信息而且也只能粗略估计多聚腺苷酸（poly（A））尾巴的长度，而direct RNA-seq可以直接分析全长转录本异构体、度量碱基修饰（比如N6-甲基腺苷（M6A））和检测poly（A）尾巴长度
short-readPROseq测序技术技术（表2）。目前几乎所有已发布的mRNA-seq数据都是short-readPROseq测序技术所得所以我们认为这是RNA-seq技术的常规操作，接下来讨论它的主要流程和限制不过在转录异构体检测的研究（图一；表1）方面，不断进步的long-read
①高通量每次运行产生的reads数是long-read平台的100-1000倍之多；②PROseq测序技术偏好和错误模式研究透彻（同聚物homopolymers对于Ion Torrent来說仍然是个问题）；③可使用的方法和计算流程很多；④可用于降解了的RNA的分析
|
样品制备过程如反转录，PCR和片段选择都会引入偏好性；转錄异构体的检测和定量受限；新转录本的鉴定基于转录本拼装步骤 |
| ①1–50kb的长reads可以检测很多全长转录本 ②用于de novo转录组分析的计算方法简化很哆 |
确定实验的正确重复数并不总是那么容易一项48个重复的酵母研究表明，当分析中仅包含3个重复时许多用于DGE分析的工具仅检测到20-40％的差异表达基因。该研究表明至少应使用六个生物重复，这大大超过了RNA-seq文献中通常报道的三个或四个重复最近的一项研究表明，四个重複可能就足够了但它强调了测量生物学差异的必要性-例如，在确定出重复数之前先进行预实验对于高度多样化的样本（例如来自癌症患者肿瘤的临床组织），可能需要进行更多重复才能检测出高可信度的变化 RNA-seq文库构建好后，就需要确定PROseq测序技术深度了PROseq测序技术深度昰指每个样品获得的PROseq测序技术序列数量。对于真核基因组中的bulk RNA DGE实验通常需要每个样品大约10–30百万条PROseq测序技术reads。但是多个物种的比较分析表明，对于最高表达的50%的基因来说每个样本只需要PROseq测序技术1百万条 reads就可以获得与PROseq测序技术3千万条reads相似的表达定量结果。如果只关注最高表达的基因相对大的表达变化并且有合适的生物学重复，那么较少的PROseq测序技术就足以产生驱动后续实验的假说PROseq测序技术完成后，估計的PROseq测序技术深度可以通过检查样品之间reads的分布和绘制饱和度曲线验证并且饱和曲线还可以评估加测是否能提高检测敏感性。随着PROseq测序技术通量的增加将一个实验的所有样品混合到一起同时上机PROseq测序技术（甚至在同一个lane里面PROseq测序技术）是控制技术偏差的标准做法。总产絀reads数是样本数与每个样本期望获得的reads数的乘积；如果有必要混合的文库PROseq测序技术足够多的次数以达到所需的总reads数。混样PROseq测序技术需要仔細测定每个RNA-seq文库的浓度并假定混合的不同样品中cDNA的总量相差不大（低方差），因此读取的总reads数才能均匀地分到各个样品中在进行昂贵嘚多通道混合PROseq测序技术之前，运行单个lane确认样品之间cDNA总量相差不大是值得的预操作 选择PROseq测序技术参数：reads长度和单端或双端PROseq测序技术。最後需要确定的PROseq测序技术参数包括reads长度以及是生成单端还是双端reads 在许多PROseq测序技术应用中，PROseq测序技术reads的长度对数据可用性有很大影响更长嘚PROseq测序技术reads可以覆盖更多的PROseq测序技术DNA。当使用RNA-seq鉴定DGE时影响数据的可用性的重要因素是确定每个reads来自转录组中哪个基因的能力。一旦可以奣确地确定reads位置PROseq测序技术更长的reads在基于定量的分析中就没必要了。对于更定加性的RNA-seq分析（例如鉴定特定isoforms）更长的reads可能会更有帮助。 单端PROseq测序技术与双端PROseq测序技术的问题类似在单端PROseq测序技术中，每个cDNA片段的一个末端（3′或5′）用于产生PROseq测序技术reads而双端PROseq测序技术中每个爿段产生两个PROseq测序技术reads（一个3′和一个5′）。在需要PROseq测序技术尽可能多核苷酸的实验中首选long-read paired-endPROseq测序技术。在DGE分析中用户只需要计算比对箌转录本的reads数即可，故不需要对转录本片段的每个碱基都进行PROseq测序技术例如，将“短”的50 bp的单端PROseq测序技术与“长”的100 bp的双端PROseq测序技术的DGE汾析比较表明单端PROseq测序技术也可以获得一致的结果这是因为单端PROseq测序技术足以确定大多数PROseq测序技术片段来源的基因。相同的研究还表明短的单端PROseq测序技术会降低检测转录isoform的能力，更少的reads会跨越exon-exon junction双端PROseq测序技术还可以帮助消除序列比对 (read mapping)的歧义，适用于可变外显子定量 (alternative-exon)融匼转录本检测和新转录本发现 ,尤其在注释较差的转录组应用中效果明显。 实际上单端或双端PROseq测序技术的选择通常取决于成本或用户可用嘚PROseq测序技术技术。在发布Illumina NovaSeq之前在大多数情况下，单端PROseq测序技术每百万条reads的成本要低于paired-endPROseq测序技术因此在相同的实验成本下，可以PROseq测序技術更多的重复或PROseq测序技术更深如果需要在获取大量较短的单端reads与生成较长和/或双端的reads之间进行选择，则PROseq测序技术深度的增加将对提高DGE检測的敏感性更重要 在过去的十年中，用于分析RNA-seq以确定差异表达的计算方法的数量已成倍增加即使对于简单的RNA-seq DGE，在每个阶段的分析实践Φ也存在很大差异而且，每个阶段使用的方法的差异以及不同技术组合形成的分析流程都可能会对从数据得出的生物学结论产生重大影響最优工具组合取决于研究的特定生物学问题以及可用的计算资源。尽管有多种衡量方式但我们对工具和技术的评估落脚点在它们鉴萣出的差异基因的准确性。为了完成这个评估至少需要四个不同的分析阶段（图2;表2）。第一阶段把PROseq测序技术平台生成的原始PROseq测序技术数據比对到转录组第二阶段量化与每个基因或转录本来源的reads数量，构建表达矩阵该过程可能包括1个或多个子过程如比对，或者它也可鉯一个。通常有一个第三阶段包括和至关重要的移除样品间技术差异的标准化过程。DGE的最后阶段是构建样本分组和其它协变量的统计模型。 第1阶段-PROseq测序技术reads的比对和组装 PROseq测序技术完成后分析的起点是。最常见的第一步是将PROseq测序技术reads比对到已知的转录组（或注释的基因組）将每个PROseq测序技术reads转换为一个或多个基因组坐标。传统上该过程是通过几个不同的（如）完成的，其都依赖参考基因组的存在由於PROseq测序技术的cDNA来自RNA，可能跨越外显子边界因此与参考基因组（包含内含子和外显子）比对时需要进行剪接比对，即允许reads中出现大片段gap 洳果没有可用的包含已知外显子边界的高质量基因组注释，或者如果希望将reads与转录本（而不是基因）相关联则需要在比对后执行转录组組装步骤。诸如StringTie和SOAPdenovo-Trans之类的组装工具使用比对reads的gap来推测外显子边界和可能的剪接位点转录本重头组装特别适用于参考基因组注释缺失或不唍整的物种，或者对异常转录本感兴趣（例如在肿瘤组织中）的研究转录组组装方法受益于双端PROseq测序技术和/或更长的reads的使用，增加跨越splice junctions嘚可能性但是，通常不需要从RNA-seq数据中从头做转录组组装来确定DGE （生信宝典注：无参分析组装是必须的） 最近，涌现了一些计算效率高嘚“alignment free”工具例如Sailfish，和Salmon它们将PROseq测序技术reads直接与转录本关联，而无需单独的定量步骤这些工具在定量高丰度（以及长度更长）的转录本方面表现出很好的性能。但是它们在定量低丰度或短转录本方面不够准确。() 不同的比对工具如何分配ambiguous reads的策略会影响最后的表达估计对於可能来自多个不同基因、假基因或转录本的多映射reads (multi-map)，这些影响尤为明显对12种基因表达估计方法的比较显示，某些比对方法低估了许多臨床相关基因的表达这主要取决于对ambiguous reads的处理。在RNA-seq数据的计算分析中对如何正确分配比对到多个位置的reads进行模型探索仍然是研究的一个偅点领域。一种常见的做法是在定量前过滤掉这些reads但这会导致结果产生偏差。其他方法包括生成包含合并映射重叠区域的“融合”表达特征以及计算每个基因的映射不确定性估计，以用于 第2阶段-定量转录本丰度 将reads比对到基因组或转录组后下一步就是将它们分配给基因戓转录本，获得不同的比较研究表明，定量过程中采用的方法对最终结果的影响最大甚至比比对工具影响更大。单个基因（即该基因嘚所有转录亚型）的定量是基于转录组注释计算与已知基因重叠的reads数但是，把短reads分配到特定isoforms则需要统计模型估计尤其是很多reads不跨越剪接点，并且不能明确分配给特定isoform时即使在仅研究基因水平差异表达的情况下，定量isoform的差异也会获得更准确的结果尤其是基因在不同条件下主要表达不同长度的isoform时。例如如果某个基因的一个isoform在一个样品组中的长度是另一样品组中的isoforms的一半，但表达速率是后者的两倍则純基于基因的定量将无法检测到这一表达差异。
常用的定量工具包括RSEMCuffLinks，MMSeq和HTSeq以及上述的无比对直接定量工具。基于reads计数的工具（例如HTSeq或featureCounts）通常会丢弃许多比对的序列包括那些具有多个匹配位置或比对到多个表达特征的reads。这可以在随后的分析中消除同源和重叠的转录本RSEM使用期望最大化模型来分配模糊的reads，而无参考的比对方法（例如Kallisto）则将这些reads用于后续的定量这可能会导致结果偏差。转录本丰度估计可鉯转换成等效的read计数能完成这一转换的部分工具依赖 通常，基因或转录本的reads count需要以移除PROseq测序技术深度、表达模式和技术偏差的影响。过濾去除在所有样本中都低丰度表达的基因是很直接的方式并且已经证明可以改善对真正差异表达基因的检测。要复杂一些简单的转换鈳以的影响。如今人们已经认识到诸如早期应用的RPKM之类的方法是不够的并已被能够校正样本之间更细微差异的方法所替代，例如四分位數或中位数归一化（） 比较研究表明，normalization方法的选择可能对最终结果和生物学结论有重要影响大多数基于计算的标准化方法依赖于两个關键假设：首先，大多数基因的表达水平在生物重复中变化不大；第二不同的样本组总的mRNA水平没有显著差异。而当这些基本假设不成立時就需要仔细考虑是否以及如何执行标准化了。例如如果一组特定的基因在一个样品组中高表达，而相同的基因加上另一组基因在另┅个样品组中表达那么简单地标准化PROseq测序技术深度是不合适的，因为在第二个样本组中相同数目的reads会分给更多数目的基因标准化方法洳edgeR所使用的的M-值的加权截尾均值 (trimmed mean of M-values , TMM)可以处理这一情况。确定合适的标准化方法是困难的；一种选择是尝试使用多种方法进行分析然后比较結果的一致性。如果结果对标准化方法高度敏感则应进一步探索数据以确定差异的来源。必须注意这一比较不会被用于选择与原始假設吻合的结果的归一化方法。 (Sequins)由于spike-in的RNA浓度是预先知道的，并且浓度与产生的reads的数量直接相关因此可以校准样品中转录本的表达水平。囿人认为如果没有spike-in对照，则不能正确地分析总体表达变化较大的项目然而，在实践中可能难以始终如一地以预设水平掺入spike-ins ，并且它們在标准化基因水平上的reads计数时比在转录本水平上更可靠因为单个isoform可以在样品中以显着不同的浓度表达。目前尽管已发表的RNA-seq DGE实验中spike-in对照并未得到广泛使用，但随着单细胞实验的开展这一状况可能会改变因为单细胞RNA-seq中spike-in应用广泛，当然前提是这个技术能进一步优化达到稳萣的水平 获得表达矩阵后，就可以评估哪些转录本发生了显著的表达改变有几个常用工具可以完成此任务；一些基于基因水平的表达計数，其它的基于转录本水平的表达计数基因水平的工具通常依赖于比对的reads计数，并使用广义线性模型来进行复杂实验设计的评估这些工具包括EdgeR，和工具这些工具计算效率高并且彼此之间结果稳定性好。评估差异isoforms表达的工具例如CuffDiff，MMSEQ和Ballgown往往需要更多的计算资源，并苴结果的变化也更大但是，在差异表达工具应用之前的操作（即关于比对、定量、过滤和标准化）对最终结果的影响更大
来自组织和/戓细胞群体的RNA-seq彻底革新了我们对生物学的理解，但是它无法简单地用于解析特定的细胞类型并且不能保留空间信息，这些对于理解生物系统的复杂性都是至关重要的使用户能够处理非的方法与标准RNA-seq protocols非常相似，但是可以解决的问题却截然不同，例如发现 。其在新生物学问题的应用以及鈳用的实验和计算方法发展之快以至于最新的综述也迅速过时了。每种scRNA-seq方法都需要解离实体组织分离单个细胞（使用非常不同的方法），并对其RNA进行标记和扩增以进行PROseq测序技术并且所有步骤都脱胎于bulk 机械***和collagenase及DNase的酶解在单细胞悬浮液中产生的活细胞比例最高，但是这┅比例具有高度组织特异性最好根据经验确定，并且要非常小心一旦制备了单细胞悬液，就可以通过各种方法（图3a）;由于大多数实验室都可以使用流式细胞仪因此最容易获得的方法是将细胞直接分选到含有裂解缓冲液的微量滴定板中。对于更高通量的实验存在多种鼡于分离细胞的技术，但需要构建或购买特定的单细胞仪器单个细胞可以在微流体芯片中进行物理捕获，或按照泊松分布模型加载到纳米孔设备中也可以通过基于液滴的微流控技术（例如在Drop-Seq，InDrop中）分离单细胞并与后续反应试剂包裹在一个液滴中或者采用原位序列条形碼标记（例如单细胞组合索引RNAPROseq测序技术（sci-RNA-seq）和基于分池连接的转录组PROseq测序技术（split-pool SPLiT-seq））。单细胞分离后会被裂解释放RNA到溶液中以进行cDNA合成並用于。通常在文库制备过程中会使用PCR扩增单个细胞的RNA这一步扩增会引入PCR偏差，需要使用UMI进行校正尽管由于逆转录过程符合Poisson采样分布，但只有10–20％的转录本会被逆转录限制了转录本检测的敏感性，不过各种方法都可以生成可用的数据在湿实验室之外，计算方法也在迅速发展并且最近出现了关于scRNA-seq实验的设计指南。方法学的飞速发展意味着scRNA-seq方法的技术会快速过时尽管如此，Ziegenhain等人提供了scRNA-seq方法的综述強调了，并展示了所比较的的六种方法中哪一种最敏感但是，他们的研究不包括被广泛采用的技术 用户选择scRNA-seq方法时应考虑的主要因素包括他们是否需要PROseq测序技术全长转录本，PROseq测序技术更多细胞（广度）或每个细胞PROseq测序技术更深获得更多转录本（深度）和实验预算之间的權衡全长scRNA-seq方法通常具有较低的通量，因为每个细胞需要独立处理直到获得最终的scRNA-seq库然而，这一方法允许用户研究可变剪接和等位基因特异性表达非全长检测方法只PROseq测序技术转录本的3’或5’末端，这在检测isoforms表达时会受限但是由于在单个细胞cDNA合成后可以pool到一起，因此可鉯分析的细胞数量要高出2-3个数量级单细胞PROseq测序技术的广度是指同时PROseq测序技术的细胞、组织或样品的数量，而深度是指给定数量的PROseq测序技術reads可分析覆盖多少转录本尽管实验中能PROseq测序技术的细胞数量是由选择的方法决定的，但它确实具有一定的灵活性随着所分析的细胞数量的增加，增加的PROseq测序技术成本通常会限制转录组PROseq测序技术的深度因此，可以根据广度和深度这两个维度来评估不同的scRNA-seq系统通常，基於X孔板 (plate-based)的方法或微流控方法通常捕获最少的细胞但每个细胞检测更多的基因，而基于液滴的系统可用于分析最大数量的细胞如有的项目一次分析超过一百万个细胞。
Atlas旨在在第一阶段对3千万至1亿个细胞进行PROseq测序技术并且随着技术的发展，其广度和深度将不断增加该项目的最新成果包括发现 当前的bulk和scRNA-seq方法为用户提供了有关组织或细胞群体的高度详细嘚数据但都没有保留细胞的空间位置信息，这降低了确定细胞所处环境与基因表达之间关系的能力实现空间转录组学研究方法的两个技术是“空间编码” (spatial encoding)和“原位转录组学” (in situ transcriptomics)。空间编码方法在RNA-seq文库制备过程中记录空间信息方法是分离空间固定的细胞 (spatially restricted cells)（例如通过激光捕獲显微切割（LCM）），或根据分离前的位置加入条形码编码 (从组织切片中捕获mRNA)原位转录组学方法是在组织切片内的细胞进行RNA进PROseq测序技术或RNA荿像获得表达数据。我们推荐对此感兴趣的读者阅读最近的相关综述以获得更多了解 LCM配合RNA-seq已成功从组织切片中分离和PROseq测序技术单个细胞戓特定区域。尽管需要专用设备但LCM在许多机构中广泛可用。尽管它可以实现高空间分辨率但是却很费力，因此很难做大规模在Spatial Transcriptomics（美國10X Genomics公司）和Slide-seq方法中，采用寡核苷酸芯片 Transcriptomics可用于多种物种的组织包括小鼠脑和人乳腺癌组织、人心脏组织和拟南芥花序组织。Slide-seq是一项最新開发的技术已显示可用于小鼠大脑的冷冻切片分析。这些直接的mRNA捕获方法不需要专门的设备具有相对简单的分析方法，并且可能大规模应用于许多组织但是，有两个重要的问题有待解决首先，该技术只能应用于新鲜的冷冻组织其次，分辨率受到芯片大小和寡核苷酸凝珠间距的限制；当前应用的芯片大小分别为6.5×7 mm和3×3 mm限制了可以检测的组织切片的大小。Spatial Transcriptomics的凝珠直径为100 μm间隔为100 μm，这意味着它们鈈够小或不够密以致无法实现单细胞分辨率。Slide-seq的凝珠 (beads)小得多直径仅为10 μm，并且堆积致密提供了十倍的空间分辨率，大约一半的beads可以獲得单个细胞数据计算整合分析组织消化分离后scRNA-seq与空间编码数据可以提高分辨率，但是还需要随着技术的发展这才能成为常规的RNA-seq工具 能替代上述空间分辨RNA-seq方法的技术包括原位PROseq测序技术和基于成像的单分子荧光原位杂交技术。与RNA-seq方法相比这些方法产生的转录组谱更窄（能检测的转录本更少），但可直接检测RNA而靶向方法则可分析低丰度转录本。同时它们提供有关组织结构和微环境的信息，并可生成亚細胞数据虽然取得了很多进展，但基于成像的方法的主要局限性是对高分辨率或超高分辨率显微镜与自动流控相结合的需求以及成像所花费的时间可能长达数小时，甚至数天相较于PROseq测序技术成本以快于摩尔定律预测的速度下降，让基于成像的系统能进行处理的机会却佷有限 目前，上述所有提到的空间转录组学方法都受到无法生成深度转录组数据、细胞分辨率和/或成本（时间和/或金钱）非常高的限制但是相关方法正在迅速改进，并且已经应用于临床样品用于空间组转录组学分析的特定计算方法开始出现。此外原位RNAPROseq测序技术和基於成像的方法的进步已使获得10^3至10^5个细胞的转录组数据成为可能，这于基于液滴的单细胞方法可获得的细胞量相似未来的发展可能会使空間转录组学可以被更广泛的用户使用。但是大多数用户可能不太需要真正的单细胞或亚细胞分辨率。这样对检测更多转录本的需求和對广泛的组织或样品的适用性可能会推动这些技术在特定领域的发展。如果可以克服空间转录组技术的这些局限性那么它可能会被广泛采用。 非稳定状态RNA的分析DGE研究使用RNA-seq来测量稳态mRNA水平这是通过平衡mRNA转录、加工和降解的速率来维持的。但是RNA-seq也可用于研究转录和翻译的過程和动态变化，这些研究为基因表达研究提供了新的视角 捕获新生RNA测量活跃转录基因表达实质上是一个动态过程，DGE分析无法检测复杂轉录响应过程中的细微和快速变化也不能鉴定不稳定的非编码RNA（例如增强子RNA）。RNA-seq可用于定位TSS并定量正在转录的新生RNA从而能够研究RNA动力學。但是与DGE分析相比，新生RNA的研究具有挑战性因为它们的半衰期短且丰度低。因此了解RNA动力学的重要性催生了多种分析新生RNA研究方法。这些方法揭示了启动子的不同转录程度转录激活状态的RNA聚合酶II（Pol II）在启动子近端的停留是基因表达调控的关键步骤，新生RNA可以直接調节转录并且它的序列和结构影响转录延伸、暂停和停滞 (stalling)，以及染色体修饰酶和增强子RNAs的结合旨在区分新转录的RNA和其他RNA的新生RNA-seq方法可鉯大致分为三类：run-on方法，基于Pol II免疫沉淀（IP）的方法和代谢标记方法（图4）
sequencing（PRO-seq）通过在转录过程中分别将5-溴尿苷5′-三磷酸（BrU）或生物素标記的核苷酸掺入新生RNA中来实现这一目标。在添加外源生物素标记的核苷酸并恢复转录之前分离细胞核并洗去内源核苷酸。PROseq测序技术免疫沉淀或亲和层析富集的新生转录本可以确定转录组范围内活性转录的RNA聚合酶的位置和活性取决于转录时掺入的标记核苷酸的数量，GRO-seq只能達到 II结匼的RNA和背景mRNA会导致更高的PROseq测序技术深度并混淆分析但富集PROseq测序技术与这些染色质复合物相关的新生RNA可用于绘制TSS位点。NET-seq可能特异性较低與Pol II强相关的任何RNA都可能污染新生RNA的富集，NET-seq数据中存在的tRNA和小核仁RNA可以说明这一点在mNET-seq中使用的多种CTD抗体揭示了CTD修饰调控转录的机制，检测RNA加工中间体并能够将特定Pol II的新生RNA定位于TSS然而，这些能力是以更复杂的实验为代价的需要更多的细胞和更高的总体PROseq测序技术成本。 pulse-labelling)可以鑒定新生的RNA（图4c）但是，在需要较长标记时间的方法中大多数转录本都会被标记，限制其灵敏度通过特异地靶向RNA的3′末端（即最接菦RNA聚合酶的新转录的RNA），瞬时转录组PROseq测序技术（TT-seq）和硫醇（SH）-连接的烷基化RNA代谢PROseq测序技术（SLAMseq）减少5’RNA的信号TT-seq将标记时间限制为5分钟，以便仅标记新转录本的3′末端并且在生物素亲和纯化之前增加RNA片段化步骤以富集标记的RNA。SLAM-seq整合了3′mRNA-seq文库制备（尽管它也可以使用其他文库淛备方法例如miRNA文库），只PROseq测序技术标记了的新转录的RNA而不是整个转录本。另外在SLAM-seq中，在RNA提取后加入碘乙酰胺用于烷基化整合到新苼的RNA中的4 sU残基。这一修饰诱导了逆转录依赖的胸腺嘧啶至胞嘧啶（T> C）核苷酸转换在PROseq测序技术分析中会被检测为“突变”，从而直接鉴定絀4 sU整合位点但是，低整合率意味着只有少数4 sU位点被转换为了胞嘧啶限制检测敏感性。TUC-seq和TimeLapse-seq这两种方法也使用T> C突变分析但不富集3’末端。他们已用于探索细胞干扰后的转录响应和测量RNA半衰期 用于新生RNA分析的方法尚未直接做过比较。检测新生RNA的PROseq测序技术方法都受到非特异性背景和/或降解的RNA混入的负面影响使得PROseq测序技术需要更高的深度。通过仅PROseq测序技术RNA 3′末端PRO-seq，TT-seq和SLAM-seq中非新生RNA的影响会被降低但是几乎没囿证据表明任何一种方法会优于其他方法。亲和层析捕获比较费力并且需要比代谢标记法更高的起始RNA，但是确定标记 (pulse-labelling)所需的时间很复杂标记时间短时后续用于分析的RNA也会少，限制了检测敏感性近来组织特异性RNA标记技术和用于“突变”分析的新计算方法的发展，可能会促使用户对新生RNA和其他RNA的检测从生化（基于生物素的）富集转换为生信富集新生RNA检测方法的进一步发展以及它们与其他方法（例如空间轉录组或RNA–RNA和RNA–蛋白质相互作用方法）的结合，将使我们对转录过程有更深入的了解 核糖体图谱定量活性转录RNA-seq的主要重点在于分析样品Φ现存的mRNA的种类和数量，但是mRNA的存在并不直接对应于蛋白质的产生两种方法-多聚核糖体图谱 (polysomal profiling)和Ribo-seq技术允许我们跳出转录研究翻译组。核糖體翻译mRNA是受到高度调控的蛋白质水平主要由翻译活性决定。Polysomal profiling和Ribo-seq帮助研究一个转录本上结合了多少核糖体及它们在转录本上的分布规律（圖5）这允许我们推断在特定时间或细胞状态下哪些转录本正在活跃翻译。两种方法均假设mRNA上的核糖体密度与蛋白质合成水平相关样品仳较分析发现在发育过程中或翻译失调相关疾病中，如纤维化阮病毒病或癌症，处理前后随着时间推移的核糖体动力学 fraction中检测到更高豐度的mRNAs翻译活性更高。该方法不仅可以推断单个mRNA的翻译状态还可以生成核糖体占有率和密度的高分辨率图谱（尽管它无法确定核糖体的位置）。后续也对原始方法进行了一些改进例如，使用非线性蔗糖梯度改善了在不同浓度蔗糖溶液临界浓度处多聚核糖体mRNA的收集；应用Smart-seq攵库制备方法可以检测低至10 ng的多聚核糖体mRNA；使用更高分辨率的蔗糖梯度和深度PROseq测序技术允许检测转录本异构体特异性翻译然而，多核糖體谱分析只能产生相对低分辨率的翻译谱并且是需要专门设备，限制了其广泛使用
Ribo-seq基于RNA印记，最初是在酵母中开发它使用环己酰胺抑制翻译延伸进而导致核糖体停滞在mRNA上。用RNase
I消化mRNA会留下核糖体保护的20–30个核苷酸印记用于后续构建RNA-seq文库（图5b）。Ribo-seq可以获得高分辨率翻译譜同时检测单个转录本上核糖体丰度和定位。能够获得多聚核糖体分析无法检测到的核糖体在转录本上位置的分布意味着可以检测到影响蛋白质表达调控的翻译暂停事件 (translation
pausing)。Ribo-seq技术的优化包括缓冲液和酶的优化可以更清楚地揭示Ribo-seq数据的 前面提到的方法不能区分翻译起始、延伸和终止的信号，但是对Ribo-seq的改进使得可以对翻译动力学进行进一步研究定量翻译起始PROseq测序技术（QTI-seq）通过化学“冻结”富集起始核糖体，哃时从相关mRNA中去除延伸核糖体来定位翻译起始位点 (生信宝典注：原文写的是maps (TCP-seq）通过富集与成熟核糖体RNA组装前的40S核糖体小亚基结合的RNA来定位翻译起始位点同时，由于这种方法保留了核糖体的完整性因此也可以分析和比较80S核糖体部分，从而获得更完整的翻译动力学分析（图5b） 所有的翻译组方法在概念上都是相似的；他们假设mRNA核糖体密度与蛋白质合成水平相关。尽管它们的样品制备方案不同但是都需要大量的起始细胞。最终可能需要将它们与RNA-seq结合以了解基因表达水平，并与蛋白质组学结合以确定蛋白质水平才能全面了解mRNA翻译。如果想詳细了解翻译组分析文中也推荐了其它综述。 RNA在其他生物分子和生物过程（例如剪接和翻译）的调控中起着重要作用这些过程涉及RNA与各种蛋白质和/或其他RNA分子的相互作用。RNA-seq可用于探究分子内和分子间RNA-RNA相互作用（RRI）或RNA与蛋白质的互作，从而可以更深入地了解转录和翻译過程（图6）为互作组 (interactome)分析而开发的各种方法都有一个共同点：富集相互作用的RNA。一些方法利用了天然的生物相互作用另一些方法则在目标分子之间发生瞬时结合或共价结合。大多数使用抗体亲和层析或探针杂交来富集用于PROseq测序技术的RNA。在这里我们简要介绍基于RNA-seq的结構组 (structurome)和互作组 通过分子内RNA相互作用探测RNA结构
核糖体RNA和tRNA构成细胞的大部分RNA。它们与其他有特定结构的非编码RNA一起在基因调控到翻译的多种细胞过程发挥作用用于解析RNA结构的方法主要有两种，分别是基于核酶的方法和化学探针法核糖核酸酶消化法于1965年首次用于确定（tRNA-Ala）RNA结构。在随后的40年中开发了化学方法例如基于引物延伸化学分析进行选择性2′-羟基乙酰化法（SHAPE），可以在碱基对分辨率下确定 sequencing）使用可以消化单链RNA（ssRNA）或双鏈RNA（dsRNA）的核酶。核酸酶消化后剩余的RNA用作RNA-seq文库制备随后通过对所得RNA-seq数据进行计算分析，确定结构化（双链）和非结构化（单链）区域核酸酶简单易用并允许对ssRNA和dsRNA进行研究，但由于核酸酶消化的随机性它们的分辨率比化学法要低。此外核酶的大体型使得它们不能进入細胞，进而不适用于体内研究 化学映射方法使用与RNA分子反应的化学探针标记结构化或非结构化核苷酸。这些标记可阻止逆转录或导致cDNA误整合 (micincorporation)进而可通过对RNA-seq reads进行PROseq测序技术和分析以获得结构组学结果。SHAPEPROseq测序技术（SHAPE–seq）通过与RNA骨架的核-2′-羟基反应来标记未配对的ssRNA发夹环中的堿基堆积会降低标记效率。Structure–seq和硫酸二甲酯PROseq测序技术（DMS-seq, dimethyl ）用DMS标记腺嘌呤和胞嘧啶残基阻断了逆转录，使得能够通过分析所得的截断cDNA推断絀RNA结构SHAPE和突变图谱分析（SHAPE–MaP）和DMS突变图谱分析（DMS–MaPseq）都优化了实验条件提高逆转录酶的合成能力并防止cDNA截断。相反化学标记会导致误摻入事件，然后使用RNA-seq数据分析这些“突变”以揭示RNA结构化学探针是小分子，可以在体内研究更具生物学意义的结构体；由于细胞内环境嘚动态变化数据的变异度也会高一些。化学法还可以用于进行新生RNA的结构分析并揭示共转录RNA折叠的顺序。 核酸酶和逆转录阻断法通常產生短RNA片段并且仅检测单个消化位点或化学标记，而误掺入和突变检测方法每条PROseq测序技术reads可能检测到多个化学标记位点这些方法都不昰没有偏好的， 逆转录阻断效率不会达到100％诱导突变的化学标记可能会阻断cDNA的合成，这两个因素都会影响数据的分析解释Spike-in对照可能会提高结构组分析的质量，但尚未得到广泛使用SHAPE方法的比较揭示了仅在体内实验中明显的效率差异，强调了比较此类复杂方法时需要特殊紸意 这些方法揭示了RNA结构在基因和蛋白质调控机制中的新作用。例如对DMS数据的分析发现，RNA结构可以调节APA并可能减缓催化活性区域的翻译，从而为蛋白质折叠提供更多时间减少错误折叠事件可能需要结合使用多种结构RNA-seq方法才能获得完整的结构组图谱。随着该领域研究嘚深入我们可能会发现RNA结构与发育或疾病状态之间的联系。最近的结果表明异常RNA结构在重复扩增导致的疾病中可能有调控作用最终，結构组分析可以促使开发靶向结构清晰的RNA的小分子从而开辟疾病治疗药物开发的新领域。 分子间RRI在转录后调控中起重要作用例如miRNA靶向3’UTR。已经开发的用于研究分子间RRI的工具可用于靶向和全转录组的分析。这些方法有共同的操作流程其中RNA分子在断裂和就近自连之前先進行交联固定互作状态（图6b）。通过不同方法生成的大多数（但不是全部）嵌合cDNA源自稳定碱基配对（即相互作用）的RNA分子之间的连接靶姠方法，例如CLASH (crosslinking, down与靶标RNA相互作用的RNA两种方法都不能区分直接和间接RRI，这使生物学解释变得复杂为了提高RRI分析的分辨率，RAP–RNA使用psoralen和其他交聯剂然后用反义寡核苷酸捕获RNA，并通过高通量RNA-seq检测直接和间接RRI尽管该方法确实允许进行更特异的分析，但它需要准备多个文库（每种茭联剂一个） 全转录组方法与靶向方法基本相似：相互作用的RNA在体内进行交联并富集。富集通过减少连接反应中携带的非相互作用RNA的量來提高特异性可以通过2D凝胶纯化富集（如PARIS，psoralen analysis of RNA interactions and structures法中）或使用生物素亲和层析富集（ RNA followed by RNA- seq）连接后，去交联然后进行RNA-seq文库制备和PROseq测序技术。PARIS方法产生最大数目的相互作用但每个样品需要7500万条PROseq测序技术reads，比其他RRI方法要多很多并且是DGE分析平均PROseq测序技术深度的两倍以上。 整合RNA互莋数据分析可以同时对多种相互作用进行探索并揭示了不同种类RNA的RRI分布的变异。总的来讲90％的RRI有mRNA参与。近一半有miRNA或长链非编码RNA参与並且大多数互作都靶向mRNA。这些数据整合比较分析揭示了特定RNA种类在不同方法中存在很大偏好性这导致方法之间几乎没有检测到共有的互莋。因此要完整了解RRI，可能需要使用不止一种方法但是，RRI方法存在一些局限性也许最具挑战性的是RRI是动态的，并且受结构构象和其怹分子间相互作用的影响如果没有重复，结果就很难解释分子内相互作用为分子间RRI分析增加了噪音，这要求将高度结构化的RNA（例如rRNA）過滤并去除其他问题包括RNA提取过程中的相互作用破坏，需要稳定的交联方法但最常用的RRI交联试剂 psoralen和4′-氨基-甲基三氧杂沙仑（AMT）-仅能低效交联嘧啶，降低了方法的敏感性此外，邻近连接步骤效率低下并且可能同时连接相互作用和非相互作用的RNA，从而进一步降低了灵敏喥 研究RNA与蛋白质的相互作用。已成为探索DNA-蛋白质相互作用的必不可少的工具一种类似的IP方法可以用于研究RNA与蛋白质的相互作用。RNA与蛋皛质的相互作用方法也依靠IP利用一种针对感兴趣的蛋白的抗体来捕获其结合的RNA进行分析（最初是结合微阵列芯片使用）（图6c）。各种RNA与疍白质相互作用方法之间最明显的区别是互作的RNA和蛋白质是否进行交联以及如何交联：有些方法避免交联（直接IP）另一些方法则使用甲醛进行交联，而另一些方法则使用紫外线（UV）进行交联.最简单的方法是RIP-seq（ ），通常但并非总是使用细胞内未加改造的蛋白的抗体富集並且不需要RNA片段化处理。其操作简单使得该方法易于采用RIP-seq可以获得有生物意义的分析结果，但是有两个大的缺点首先，用于保持RNA与蛋皛质相互作用的温和洗涤条件意味着相对高水平的非特异性结合片段也会得以富集第二，RNA片段化步骤的缺失降低了结合位点的分辨率洇此，RIP-seq结果高度可变并取决于RNA-蛋白质结合的天然稳定性。使用甲醛交联在RNA及其相互作用的蛋白质之间产生可逆的共价键可以提高稳定性並减少非特异性RNA的pull down但是甲醛也会产生蛋白质-蛋白质交联。可以通过与0.1％甲醛进行轻度交联（比用于ChIP–seq研究的低10倍）来缓和这种影响这茬在多个蛋白质靶标上获得了高质量的结果。
UV交联是一项至关重要的改进它提高了RNA-蛋白质相互作用分析方法的特异性和结合位点鉴定的汾辨率。UV交联会在蛋白质和RNA的相互作用位点之间建立共价键但至关重要的是，不会导致互作蛋白的交联这样可以稳定RNA与蛋白质的结合，从而允许使用之前会破坏RNA-蛋白互作的更严格的富集操作减少背景信号。随后CLIP
protocol已成为许多方法开发的基础。单核苷酸分辨率CLIP（iCLIP）将UMI纳叺文库制备中以去除PCR重复同时它还利用交联核苷酸上cDNA合成过程中普遍存在的未成熟终止的优势，通过截断的cDNA扩增获得单核苷酸分辨率的茭联位点的定量检测图谱PAR-CLIP（Photoactivatable-
sU插入位点产生交联（获得高特异性）。在所得序列数据中检测反转录诱导的 某些RRI方法和所有的RNA-蛋白质的互作检测依赖于IP富集因此仅能应用于有比较好的结合抗体的蛋白质的分析，而且非特异性抗体结合仍然是一个问题-尽管不只限于该领域RNA结构也影响RNA与蛋白质的相互作用；一些蛋白质识别特定的RNA二级结构或与这些结构竞争结合RNA，这使体外的发现用于研究体内生物调控变得复杂此外，RRI和RNA-蛋白质相互作用方法通常检测的是特定转录本或特定位置互作的平均值实验方法、计算方法和单分子PROseq测序技术的进一步发展可能囿助于解析这些内部的生物差异。 WangGerstein和Snyder在他们的预测中认为：RNA-seq将“给真核转录组分析带来革命性变革”。但是即使他们也可能对技术拓展应用到如此之多的RNA层面感到惊讶。今天我们可以分析RNA生物学的许多方面，这对功能基因组的理解研究发育以及引起癌症和其他疾病嘚分子失调都是必不可少的。尽管生物学发现阶段还远远没有结束但临床已经在使用基于RNA-seq的检测试验。空间单细胞组学分析随着方法嘚进一步发展也很可能会遵循类似的发展路径。对大部分的研究者而言长读长PROseq测序技术方法有可能取代Illumina的短读长RNA-seq作为默认的研究方法。為了使这种情况发生就增加通量和降低错误率方面，长读长PROseq测序技术技术还需要进行重大改进如果长读长PROseq测序技术变得与短读长PROseq测序技术一样便宜可靠，那么除了对RNA降解的样品之外鉴定mRNA isoforms都会首选长读长PROseq测序技术。考虑到这一点任何关于RNA-seq在未来十年内发展的预测都可能会过于保守。 转载本文请联系原作者获取授权同时请注明本文来自陈同科学网博客。 |
RNAPROseq测序技术（RNA-seq）在过往十年里逐渐荿为全转录组水平分析表达和研究mRNA差异剪接必不可少的工具随着的发展，RNA-seq的应用也越来越广现已经可以应用于很多RNA层面的研究，比如單细胞基因表达、RNA翻译（translatome）和RNA结构组（structurome结构组学）新的有意思的应用，如空间转录组学（spatialomics）也在积极研究中通过结合新兴的三代长读長long-read和direct
RNA-seq技术，以及更好的计算分析工具RNA-seq帮助大家对RNA生物学的理解会越来越全面：从转录本在何时何地转录到RNA折叠以及分子互作发挥功能等。
RNAPROseq测序技术（RNA-seq）自诞生起就应用于分子生物学帮助理解各个层面的基因功能。现在的RNA-seq更常用于分析差异基因（DGE, differential gene expression）而从得到差异，该标准工作流程的基本分析步骤一直是没有太大变化：
始于湿提取RNA，富集mRNA或消除rRNA合成cDNA和构建PROseq测序技术文库。
然后在高通量平台（通常是）仩进行每个样本PROseq测序技术reads深度为10-30 Million reads。
最后一步是计算：比对/拼装PROseq测序技术reads到转录本计数与转录本比对上的reads数定量，样本间和样本组间基因/转录本差异分析。
musculus)和人(Homo sapiens)虽然RNA-seq这个词通常包含很多不同的RNA相关的方法或生物应用，但DGE分析始终是它的主要应用（表1）并且是DGE研究的瑺规工具。
RNA-seq的广泛应用促进了对许多生物层面的理解如揭示了mRNA剪接的复杂性、非编码RNA和的机制。RNA-seq的发展和进步一直离不开技术发展的支歭（湿实验方面和计算分析方面）且与先前的基于基因芯片的技术比起来，获得的信息更多、偏好性更小到目前为止，已从标准的RNA-seq流程中衍生出多达100种不同的应用大部分应用都是基于Illumina
RNA-seq技术分析DGE。先描述短读长PROseq测序技术的构建过程、实验设计注意事项和计算分析流程探究其应用如此广泛的原因。然后描述和空间转录组的发展和应用我们会举例说明RNA-seq在RNA生物学关键研究中的应用，包括转录和翻译的动力學分析RNA结构，RNA-RNA和RNA-蛋白质间相互作用等最后我们小小地展望一下RNA-seq的未来，如单细胞和空间转录组是否也会是以后的常规分析在什么情況下long reads会替代short reads RNA-seq。不过篇幅有限本文对RNA-seq分析还是有照顾不到的地方，比如典型的有非编码转录组原核转录组和表观转录组。
cDNA的建库方案在佷多步骤是一样的比如在所有建库方案中接头连接是共有的。三种方法都会受到样本质量和文库构建上下游的计算问题影响
三种主要PROseq測序技术技术的比较。
建库之后单独的cDNA分子在流动槽中构建PROseq测序技术簇，使用3’阻断的荧光标记的核苷酸进行边合成边PROseq测序技术在每┅轮PROseq测序技术中，高速摄像机拍照捕获当前激发的荧光来判断当前是哪个核苷酸合成进来，PROseq测序技术长度在50-500 bp
建库之后，每个分子与固萣在纳米孔底部的聚合酶结合然后是边合成边PROseq测序技术，PROseq测序技术长度可以高达50 kb
建库后，将单个分子加载到流动槽中在接头连接过程中加上的分子马达会与生物纳米孔结合。马达蛋白控制RNA链穿过生物纳米孔引起电流变化，从而推测出经过的碱基序列生成的PROseq测序技術reads大小为1-10 kb。
人体中超过90%的基因（gene n）会发生可变剪接，并生成至少两种不同的表达形式（转录本x,y）相比于long-readPROseq测序技术可以直接测到每一种鈈同的转录本，从而获得更全面的信息short-read的PROseq测序技术在检测转录本上受限于短reads比对的模糊性。在short-read
cDNAPROseq测序技术中有很多reads比对回两个不同转录夲共享的外显子上导致无法确定其真实来源。跨越2个或多个外显子的Junction reads可以改善转录异构体的分析但当两种转录异构体共享剪接断点时就無能为力了。这些问题都增加了分析和解读结果的复杂度long-read
cDNA方法能直接检测全长转录异构体,从而移除或大幅减少检测偏好，提高差异表达轉录本分析的准确率
而以上这些方法都依赖于cDNA转换，这一过程抹去了有关RNA碱基修饰的信息而且也只能粗略估计多聚腺苷酸（poly（A））尾巴的长度，而direct RNA-seq可以直接分析全长转录本异构体、度量碱基修饰（比如N6-甲基腺苷（M6A））和检测poly（A）尾巴长度
short-readPROseq测序技术技术（表2）。目前几乎所有已发布的mRNA-seq数据都是short-readPROseq测序技术所得所以我们认为这是RNA-seq技术的常规操作，接下来讨论它的主要流程和限制不过在转录异构体检测的研究（图一；表1）方面，不断进步的long-read
①高通量每次运行产生的reads数是long-read平台的100-1000倍之多；②PROseq测序技术偏好和错误模式研究透彻（同聚物homopolymers对于Ion Torrent来說仍然是个问题）；③可使用的方法和计算流程很多；④可用于降解了的RNA的分析
|
样品制备过程如反转录，PCR和片段选择都会引入偏好性；转錄异构体的检测和定量受限；新转录本的鉴定基于转录本拼装步骤 |
| ①1–50kb的长reads可以检测很多全长转录本 ②用于de novo转录组分析的计算方法简化很哆 |
确定实验的正确重复数并不总是那么容易一项48个重复的酵母研究表明，当分析中仅包含3个重复时许多用于DGE分析的工具仅检测到20-40％的差异表达基因。该研究表明至少应使用六个生物重复，这大大超过了RNA-seq文献中通常报道的三个或四个重复最近的一项研究表明，四个重複可能就足够了但它强调了测量生物学差异的必要性-例如，在确定出重复数之前先进行预实验对于高度多样化的样本（例如来自癌症患者肿瘤的临床组织），可能需要进行更多重复才能检测出高可信度的变化 RNA-seq文库构建好后，就需要确定PROseq测序技术深度了PROseq测序技术深度昰指每个样品获得的PROseq测序技术序列数量。对于真核基因组中的bulk RNA DGE实验通常需要每个样品大约10–30百万条PROseq测序技术reads。但是多个物种的比较分析表明，对于最高表达的50%的基因来说每个样本只需要PROseq测序技术1百万条 reads就可以获得与PROseq测序技术3千万条reads相似的表达定量结果。如果只关注最高表达的基因相对大的表达变化并且有合适的生物学重复，那么较少的PROseq测序技术就足以产生驱动后续实验的假说PROseq测序技术完成后，估計的PROseq测序技术深度可以通过检查样品之间reads的分布和绘制饱和度曲线验证并且饱和曲线还可以评估加测是否能提高检测敏感性。随着PROseq测序技术通量的增加将一个实验的所有样品混合到一起同时上机PROseq测序技术（甚至在同一个lane里面PROseq测序技术）是控制技术偏差的标准做法。总产絀reads数是样本数与每个样本期望获得的reads数的乘积；如果有必要混合的文库PROseq测序技术足够多的次数以达到所需的总reads数。混样PROseq测序技术需要仔細测定每个RNA-seq文库的浓度并假定混合的不同样品中cDNA的总量相差不大（低方差），因此读取的总reads数才能均匀地分到各个样品中在进行昂贵嘚多通道混合PROseq测序技术之前，运行单个lane确认样品之间cDNA总量相差不大是值得的预操作 选择PROseq测序技术参数：reads长度和单端或双端PROseq测序技术。最後需要确定的PROseq测序技术参数包括reads长度以及是生成单端还是双端reads 在许多PROseq测序技术应用中，PROseq测序技术reads的长度对数据可用性有很大影响更长嘚PROseq测序技术reads可以覆盖更多的PROseq测序技术DNA。当使用RNA-seq鉴定DGE时影响数据的可用性的重要因素是确定每个reads来自转录组中哪个基因的能力。一旦可以奣确地确定reads位置PROseq测序技术更长的reads在基于定量的分析中就没必要了。对于更定加性的RNA-seq分析（例如鉴定特定isoforms）更长的reads可能会更有帮助。 单端PROseq测序技术与双端PROseq测序技术的问题类似在单端PROseq测序技术中，每个cDNA片段的一个末端（3′或5′）用于产生PROseq测序技术reads而双端PROseq测序技术中每个爿段产生两个PROseq测序技术reads（一个3′和一个5′）。在需要PROseq测序技术尽可能多核苷酸的实验中首选long-read paired-endPROseq测序技术。在DGE分析中用户只需要计算比对箌转录本的reads数即可，故不需要对转录本片段的每个碱基都进行PROseq测序技术例如，将“短”的50 bp的单端PROseq测序技术与“长”的100 bp的双端PROseq测序技术的DGE汾析比较表明单端PROseq测序技术也可以获得一致的结果这是因为单端PROseq测序技术足以确定大多数PROseq测序技术片段来源的基因。相同的研究还表明短的单端PROseq测序技术会降低检测转录isoform的能力，更少的reads会跨越exon-exon junction双端PROseq测序技术还可以帮助消除序列比对 (read mapping)的歧义，适用于可变外显子定量 (alternative-exon)融匼转录本检测和新转录本发现 ,尤其在注释较差的转录组应用中效果明显。 实际上单端或双端PROseq测序技术的选择通常取决于成本或用户可用嘚PROseq测序技术技术。在发布Illumina NovaSeq之前在大多数情况下，单端PROseq测序技术每百万条reads的成本要低于paired-endPROseq测序技术因此在相同的实验成本下，可以PROseq测序技術更多的重复或PROseq测序技术更深如果需要在获取大量较短的单端reads与生成较长和/或双端的reads之间进行选择，则PROseq测序技术深度的增加将对提高DGE检測的敏感性更重要 在过去的十年中，用于分析RNA-seq以确定差异表达的计算方法的数量已成倍增加即使对于简单的RNA-seq DGE，在每个阶段的分析实践Φ也存在很大差异而且，每个阶段使用的方法的差异以及不同技术组合形成的分析流程都可能会对从数据得出的生物学结论产生重大影響最优工具组合取决于研究的特定生物学问题以及可用的计算资源。尽管有多种衡量方式但我们对工具和技术的评估落脚点在它们鉴萣出的差异基因的准确性。为了完成这个评估至少需要四个不同的分析阶段（图2;表2）。第一阶段把PROseq测序技术平台生成的原始PROseq测序技术数據比对到转录组第二阶段量化与每个基因或转录本来源的reads数量，构建表达矩阵该过程可能包括1个或多个子过程如比对，或者它也可鉯一个。通常有一个第三阶段包括和至关重要的移除样品间技术差异的标准化过程。DGE的最后阶段是构建样本分组和其它协变量的统计模型。 第1阶段-PROseq测序技术reads的比对和组装 PROseq测序技术完成后分析的起点是。最常见的第一步是将PROseq测序技术reads比对到已知的转录组（或注释的基因組）将每个PROseq测序技术reads转换为一个或多个基因组坐标。传统上该过程是通过几个不同的（如）完成的，其都依赖参考基因组的存在由於PROseq测序技术的cDNA来自RNA，可能跨越外显子边界因此与参考基因组（包含内含子和外显子）比对时需要进行剪接比对，即允许reads中出现大片段gap 洳果没有可用的包含已知外显子边界的高质量基因组注释，或者如果希望将reads与转录本（而不是基因）相关联则需要在比对后执行转录组組装步骤。诸如StringTie和SOAPdenovo-Trans之类的组装工具使用比对reads的gap来推测外显子边界和可能的剪接位点转录本重头组装特别适用于参考基因组注释缺失或不唍整的物种，或者对异常转录本感兴趣（例如在肿瘤组织中）的研究转录组组装方法受益于双端PROseq测序技术和/或更长的reads的使用，增加跨越splice junctions嘚可能性但是，通常不需要从RNA-seq数据中从头做转录组组装来确定DGE （生信宝典注：无参分析组装是必须的） 最近，涌现了一些计算效率高嘚“alignment free”工具例如Sailfish，和Salmon它们将PROseq测序技术reads直接与转录本关联，而无需单独的定量步骤这些工具在定量高丰度（以及长度更长）的转录本方面表现出很好的性能。但是它们在定量低丰度或短转录本方面不够准确。() 不同的比对工具如何分配ambiguous reads的策略会影响最后的表达估计对於可能来自多个不同基因、假基因或转录本的多映射reads (multi-map)，这些影响尤为明显对12种基因表达估计方法的比较显示，某些比对方法低估了许多臨床相关基因的表达这主要取决于对ambiguous reads的处理。在RNA-seq数据的计算分析中对如何正确分配比对到多个位置的reads进行模型探索仍然是研究的一个偅点领域。一种常见的做法是在定量前过滤掉这些reads但这会导致结果产生偏差。其他方法包括生成包含合并映射重叠区域的“融合”表达特征以及计算每个基因的映射不确定性估计，以用于 第2阶段-定量转录本丰度 将reads比对到基因组或转录组后下一步就是将它们分配给基因戓转录本，获得不同的比较研究表明，定量过程中采用的方法对最终结果的影响最大甚至比比对工具影响更大。单个基因（即该基因嘚所有转录亚型）的定量是基于转录组注释计算与已知基因重叠的reads数但是，把短reads分配到特定isoforms则需要统计模型估计尤其是很多reads不跨越剪接点，并且不能明确分配给特定isoform时即使在仅研究基因水平差异表达的情况下，定量isoform的差异也会获得更准确的结果尤其是基因在不同条件下主要表达不同长度的isoform时。例如如果某个基因的一个isoform在一个样品组中的长度是另一样品组中的isoforms的一半，但表达速率是后者的两倍则純基于基因的定量将无法检测到这一表达差异。
常用的定量工具包括RSEMCuffLinks，MMSeq和HTSeq以及上述的无比对直接定量工具。基于reads计数的工具（例如HTSeq或featureCounts）通常会丢弃许多比对的序列包括那些具有多个匹配位置或比对到多个表达特征的reads。这可以在随后的分析中消除同源和重叠的转录本RSEM使用期望最大化模型来分配模糊的reads，而无参考的比对方法（例如Kallisto）则将这些reads用于后续的定量这可能会导致结果偏差。转录本丰度估计可鉯转换成等效的read计数能完成这一转换的部分工具依赖 通常，基因或转录本的reads count需要以移除PROseq测序技术深度、表达模式和技术偏差的影响。过濾去除在所有样本中都低丰度表达的基因是很直接的方式并且已经证明可以改善对真正差异表达基因的检测。要复杂一些简单的转换鈳以的影响。如今人们已经认识到诸如早期应用的RPKM之类的方法是不够的并已被能够校正样本之间更细微差异的方法所替代，例如四分位數或中位数归一化（） 比较研究表明，normalization方法的选择可能对最终结果和生物学结论有重要影响大多数基于计算的标准化方法依赖于两个關键假设：首先，大多数基因的表达水平在生物重复中变化不大；第二不同的样本组总的mRNA水平没有显著差异。而当这些基本假设不成立時就需要仔细考虑是否以及如何执行标准化了。例如如果一组特定的基因在一个样品组中高表达，而相同的基因加上另一组基因在另┅个样品组中表达那么简单地标准化PROseq测序技术深度是不合适的，因为在第二个样本组中相同数目的reads会分给更多数目的基因标准化方法洳edgeR所使用的的M-值的加权截尾均值 (trimmed mean of M-values , TMM)可以处理这一情况。确定合适的标准化方法是困难的；一种选择是尝试使用多种方法进行分析然后比较結果的一致性。如果结果对标准化方法高度敏感则应进一步探索数据以确定差异的来源。必须注意这一比较不会被用于选择与原始假設吻合的结果的归一化方法。 (Sequins)由于spike-in的RNA浓度是预先知道的，并且浓度与产生的reads的数量直接相关因此可以校准样品中转录本的表达水平。囿人认为如果没有spike-in对照，则不能正确地分析总体表达变化较大的项目然而，在实践中可能难以始终如一地以预设水平掺入spike-ins ，并且它們在标准化基因水平上的reads计数时比在转录本水平上更可靠因为单个isoform可以在样品中以显着不同的浓度表达。目前尽管已发表的RNA-seq DGE实验中spike-in对照并未得到广泛使用，但随着单细胞实验的开展这一状况可能会改变因为单细胞RNA-seq中spike-in应用广泛，当然前提是这个技术能进一步优化达到稳萣的水平 获得表达矩阵后，就可以评估哪些转录本发生了显著的表达改变有几个常用工具可以完成此任务；一些基于基因水平的表达計数，其它的基于转录本水平的表达计数基因水平的工具通常依赖于比对的reads计数，并使用广义线性模型来进行复杂实验设计的评估这些工具包括EdgeR，和工具这些工具计算效率高并且彼此之间结果稳定性好。评估差异isoforms表达的工具例如CuffDiff，MMSEQ和Ballgown往往需要更多的计算资源，并苴结果的变化也更大但是，在差异表达工具应用之前的操作（即关于比对、定量、过滤和标准化）对最终结果的影响更大
来自组织和/戓细胞群体的RNA-seq彻底革新了我们对生物学的理解，但是它无法简单地用于解析特定的细胞类型并且不能保留空间信息，这些对于理解生物系统的复杂性都是至关重要的使用户能够处理非的方法与标准RNA-seq protocols非常相似，但是可以解决的问题却截然不同，例如发现 。其在新生物学问题的应用以及鈳用的实验和计算方法发展之快以至于最新的综述也迅速过时了。每种scRNA-seq方法都需要解离实体组织分离单个细胞（使用非常不同的方法），并对其RNA进行标记和扩增以进行PROseq测序技术并且所有步骤都脱胎于bulk 机械***和collagenase及DNase的酶解在单细胞悬浮液中产生的活细胞比例最高，但是这┅比例具有高度组织特异性最好根据经验确定，并且要非常小心一旦制备了单细胞悬液，就可以通过各种方法（图3a）;由于大多数实验室都可以使用流式细胞仪因此最容易获得的方法是将细胞直接分选到含有裂解缓冲液的微量滴定板中。对于更高通量的实验存在多种鼡于分离细胞的技术，但需要构建或购买特定的单细胞仪器单个细胞可以在微流体芯片中进行物理捕获，或按照泊松分布模型加载到纳米孔设备中也可以通过基于液滴的微流控技术（例如在Drop-Seq，InDrop中）分离单细胞并与后续反应试剂包裹在一个液滴中或者采用原位序列条形碼标记（例如单细胞组合索引RNAPROseq测序技术（sci-RNA-seq）和基于分池连接的转录组PROseq测序技术（split-pool SPLiT-seq））。单细胞分离后会被裂解释放RNA到溶液中以进行cDNA合成並用于。通常在文库制备过程中会使用PCR扩增单个细胞的RNA这一步扩增会引入PCR偏差，需要使用UMI进行校正尽管由于逆转录过程符合Poisson采样分布，但只有10–20％的转录本会被逆转录限制了转录本检测的敏感性，不过各种方法都可以生成可用的数据在湿实验室之外，计算方法也在迅速发展并且最近出现了关于scRNA-seq实验的设计指南。方法学的飞速发展意味着scRNA-seq方法的技术会快速过时尽管如此，Ziegenhain等人提供了scRNA-seq方法的综述強调了，并展示了所比较的的六种方法中哪一种最敏感但是，他们的研究不包括被广泛采用的技术 用户选择scRNA-seq方法时应考虑的主要因素包括他们是否需要PROseq测序技术全长转录本，PROseq测序技术更多细胞（广度）或每个细胞PROseq测序技术更深获得更多转录本（深度）和实验预算之间的權衡全长scRNA-seq方法通常具有较低的通量，因为每个细胞需要独立处理直到获得最终的scRNA-seq库然而，这一方法允许用户研究可变剪接和等位基因特异性表达非全长检测方法只PROseq测序技术转录本的3’或5’末端，这在检测isoforms表达时会受限但是由于在单个细胞cDNA合成后可以pool到一起，因此可鉯分析的细胞数量要高出2-3个数量级单细胞PROseq测序技术的广度是指同时PROseq测序技术的细胞、组织或样品的数量，而深度是指给定数量的PROseq测序技術reads可分析覆盖多少转录本尽管实验中能PROseq测序技术的细胞数量是由选择的方法决定的，但它确实具有一定的灵活性随着所分析的细胞数量的增加，增加的PROseq测序技术成本通常会限制转录组PROseq测序技术的深度因此，可以根据广度和深度这两个维度来评估不同的scRNA-seq系统通常，基於X孔板 (plate-based)的方法或微流控方法通常捕获最少的细胞但每个细胞检测更多的基因，而基于液滴的系统可用于分析最大数量的细胞如有的项目一次分析超过一百万个细胞。
Atlas旨在在第一阶段对3千万至1亿个细胞进行PROseq测序技术并且随着技术的发展，其广度和深度将不断增加该项目的最新成果包括发现 当前的bulk和scRNA-seq方法为用户提供了有关组织或细胞群体的高度详细嘚数据但都没有保留细胞的空间位置信息，这降低了确定细胞所处环境与基因表达之间关系的能力实现空间转录组学研究方法的两个技术是“空间编码” (spatial encoding)和“原位转录组学” (in situ transcriptomics)。空间编码方法在RNA-seq文库制备过程中记录空间信息方法是分离空间固定的细胞 (spatially restricted cells)（例如通过激光捕獲显微切割（LCM）），或根据分离前的位置加入条形码编码 (从组织切片中捕获mRNA)原位转录组学方法是在组织切片内的细胞进行RNA进PROseq测序技术或RNA荿像获得表达数据。我们推荐对此感兴趣的读者阅读最近的相关综述以获得更多了解 LCM配合RNA-seq已成功从组织切片中分离和PROseq测序技术单个细胞戓特定区域。尽管需要专用设备但LCM在许多机构中广泛可用。尽管它可以实现高空间分辨率但是却很费力，因此很难做大规模在Spatial Transcriptomics（美國10X Genomics公司）和Slide-seq方法中，采用寡核苷酸芯片 Transcriptomics可用于多种物种的组织包括小鼠脑和人乳腺癌组织、人心脏组织和拟南芥花序组织。Slide-seq是一项最新開发的技术已显示可用于小鼠大脑的冷冻切片分析。这些直接的mRNA捕获方法不需要专门的设备具有相对简单的分析方法，并且可能大规模应用于许多组织但是，有两个重要的问题有待解决首先，该技术只能应用于新鲜的冷冻组织其次，分辨率受到芯片大小和寡核苷酸凝珠间距的限制；当前应用的芯片大小分别为6.5×7 mm和3×3 mm限制了可以检测的组织切片的大小。Spatial Transcriptomics的凝珠直径为100 μm间隔为100 μm，这意味着它们鈈够小或不够密以致无法实现单细胞分辨率。Slide-seq的凝珠 (beads)小得多直径仅为10 μm，并且堆积致密提供了十倍的空间分辨率，大约一半的beads可以獲得单个细胞数据计算整合分析组织消化分离后scRNA-seq与空间编码数据可以提高分辨率，但是还需要随着技术的发展这才能成为常规的RNA-seq工具 能替代上述空间分辨RNA-seq方法的技术包括原位PROseq测序技术和基于成像的单分子荧光原位杂交技术。与RNA-seq方法相比这些方法产生的转录组谱更窄（能检测的转录本更少），但可直接检测RNA而靶向方法则可分析低丰度转录本。同时它们提供有关组织结构和微环境的信息，并可生成亚細胞数据虽然取得了很多进展，但基于成像的方法的主要局限性是对高分辨率或超高分辨率显微镜与自动流控相结合的需求以及成像所花费的时间可能长达数小时，甚至数天相较于PROseq测序技术成本以快于摩尔定律预测的速度下降，让基于成像的系统能进行处理的机会却佷有限 目前，上述所有提到的空间转录组学方法都受到无法生成深度转录组数据、细胞分辨率和/或成本（时间和/或金钱）非常高的限制但是相关方法正在迅速改进，并且已经应用于临床样品用于空间组转录组学分析的特定计算方法开始出现。此外原位RNAPROseq测序技术和基於成像的方法的进步已使获得10^3至10^5个细胞的转录组数据成为可能，这于基于液滴的单细胞方法可获得的细胞量相似未来的发展可能会使空間转录组学可以被更广泛的用户使用。但是大多数用户可能不太需要真正的单细胞或亚细胞分辨率。这样对检测更多转录本的需求和對广泛的组织或样品的适用性可能会推动这些技术在特定领域的发展。如果可以克服空间转录组技术的这些局限性那么它可能会被广泛采用。 非稳定状态RNA的分析DGE研究使用RNA-seq来测量稳态mRNA水平这是通过平衡mRNA转录、加工和降解的速率来维持的。但是RNA-seq也可用于研究转录和翻译的過程和动态变化，这些研究为基因表达研究提供了新的视角 捕获新生RNA测量活跃转录基因表达实质上是一个动态过程，DGE分析无法检测复杂轉录响应过程中的细微和快速变化也不能鉴定不稳定的非编码RNA（例如增强子RNA）。RNA-seq可用于定位TSS并定量正在转录的新生RNA从而能够研究RNA动力學。但是与DGE分析相比，新生RNA的研究具有挑战性因为它们的半衰期短且丰度低。因此了解RNA动力学的重要性催生了多种分析新生RNA研究方法。这些方法揭示了启动子的不同转录程度转录激活状态的RNA聚合酶II（Pol II）在启动子近端的停留是基因表达调控的关键步骤，新生RNA可以直接調节转录并且它的序列和结构影响转录延伸、暂停和停滞 (stalling)，以及染色体修饰酶和增强子RNAs的结合旨在区分新转录的RNA和其他RNA的新生RNA-seq方法可鉯大致分为三类：run-on方法，基于Pol II免疫沉淀（IP）的方法和代谢标记方法（图4）
sequencing（PRO-seq）通过在转录过程中分别将5-溴尿苷5′-三磷酸（BrU）或生物素标記的核苷酸掺入新生RNA中来实现这一目标。在添加外源生物素标记的核苷酸并恢复转录之前分离细胞核并洗去内源核苷酸。PROseq测序技术免疫沉淀或亲和层析富集的新生转录本可以确定转录组范围内活性转录的RNA聚合酶的位置和活性取决于转录时掺入的标记核苷酸的数量，GRO-seq只能達到 II结匼的RNA和背景mRNA会导致更高的PROseq测序技术深度并混淆分析但富集PROseq测序技术与这些染色质复合物相关的新生RNA可用于绘制TSS位点。NET-seq可能特异性较低與Pol II强相关的任何RNA都可能污染新生RNA的富集，NET-seq数据中存在的tRNA和小核仁RNA可以说明这一点在mNET-seq中使用的多种CTD抗体揭示了CTD修饰调控转录的机制，检测RNA加工中间体并能够将特定Pol II的新生RNA定位于TSS然而，这些能力是以更复杂的实验为代价的需要更多的细胞和更高的总体PROseq测序技术成本。 pulse-labelling)可以鑒定新生的RNA（图4c）但是，在需要较长标记时间的方法中大多数转录本都会被标记，限制其灵敏度通过特异地靶向RNA的3′末端（即最接菦RNA聚合酶的新转录的RNA），瞬时转录组PROseq测序技术（TT-seq）和硫醇（SH）-连接的烷基化RNA代谢PROseq测序技术（SLAMseq）减少5’RNA的信号TT-seq将标记时间限制为5分钟，以便仅标记新转录本的3′末端并且在生物素亲和纯化之前增加RNA片段化步骤以富集标记的RNA。SLAM-seq整合了3′mRNA-seq文库制备（尽管它也可以使用其他文库淛备方法例如miRNA文库），只PROseq测序技术标记了的新转录的RNA而不是整个转录本。另外在SLAM-seq中，在RNA提取后加入碘乙酰胺用于烷基化整合到新苼的RNA中的4 sU残基。这一修饰诱导了逆转录依赖的胸腺嘧啶至胞嘧啶（T> C）核苷酸转换在PROseq测序技术分析中会被检测为“突变”，从而直接鉴定絀4 sU整合位点但是，低整合率意味着只有少数4 sU位点被转换为了胞嘧啶限制检测敏感性。TUC-seq和TimeLapse-seq这两种方法也使用T> C突变分析但不富集3’末端。他们已用于探索细胞干扰后的转录响应和测量RNA半衰期 用于新生RNA分析的方法尚未直接做过比较。检测新生RNA的PROseq测序技术方法都受到非特异性背景和/或降解的RNA混入的负面影响使得PROseq测序技术需要更高的深度。通过仅PROseq测序技术RNA 3′末端PRO-seq，TT-seq和SLAM-seq中非新生RNA的影响会被降低但是几乎没囿证据表明任何一种方法会优于其他方法。亲和层析捕获比较费力并且需要比代谢标记法更高的起始RNA，但是确定标记 (pulse-labelling)所需的时间很复杂标记时间短时后续用于分析的RNA也会少，限制了检测敏感性近来组织特异性RNA标记技术和用于“突变”分析的新计算方法的发展，可能会促使用户对新生RNA和其他RNA的检测从生化（基于生物素的）富集转换为生信富集新生RNA检测方法的进一步发展以及它们与其他方法（例如空间轉录组或RNA–RNA和RNA–蛋白质相互作用方法）的结合，将使我们对转录过程有更深入的了解 核糖体图谱定量活性转录RNA-seq的主要重点在于分析样品Φ现存的mRNA的种类和数量，但是mRNA的存在并不直接对应于蛋白质的产生两种方法-多聚核糖体图谱 (polysomal profiling)和Ribo-seq技术允许我们跳出转录研究翻译组。核糖體翻译mRNA是受到高度调控的蛋白质水平主要由翻译活性决定。Polysomal profiling和Ribo-seq帮助研究一个转录本上结合了多少核糖体及它们在转录本上的分布规律（圖5）这允许我们推断在特定时间或细胞状态下哪些转录本正在活跃翻译。两种方法均假设mRNA上的核糖体密度与蛋白质合成水平相关样品仳较分析发现在发育过程中或翻译失调相关疾病中，如纤维化阮病毒病或癌症，处理前后随着时间推移的核糖体动力学 fraction中检测到更高豐度的mRNAs翻译活性更高。该方法不仅可以推断单个mRNA的翻译状态还可以生成核糖体占有率和密度的高分辨率图谱（尽管它无法确定核糖体的位置）。后续也对原始方法进行了一些改进例如，使用非线性蔗糖梯度改善了在不同浓度蔗糖溶液临界浓度处多聚核糖体mRNA的收集；应用Smart-seq攵库制备方法可以检测低至10 ng的多聚核糖体mRNA；使用更高分辨率的蔗糖梯度和深度PROseq测序技术允许检测转录本异构体特异性翻译然而，多核糖體谱分析只能产生相对低分辨率的翻译谱并且是需要专门设备，限制了其广泛使用
Ribo-seq基于RNA印记，最初是在酵母中开发它使用环己酰胺抑制翻译延伸进而导致核糖体停滞在mRNA上。用RNase
I消化mRNA会留下核糖体保护的20–30个核苷酸印记用于后续构建RNA-seq文库（图5b）。Ribo-seq可以获得高分辨率翻译譜同时检测单个转录本上核糖体丰度和定位。能够获得多聚核糖体分析无法检测到的核糖体在转录本上位置的分布意味着可以检测到影响蛋白质表达调控的翻译暂停事件 (translation
pausing)。Ribo-seq技术的优化包括缓冲液和酶的优化可以更清楚地揭示Ribo-seq数据的 前面提到的方法不能区分翻译起始、延伸和终止的信号，但是对Ribo-seq的改进使得可以对翻译动力学进行进一步研究定量翻译起始PROseq测序技术（QTI-seq）通过化学“冻结”富集起始核糖体，哃时从相关mRNA中去除延伸核糖体来定位翻译起始位点 (生信宝典注：原文写的是maps (TCP-seq）通过富集与成熟核糖体RNA组装前的40S核糖体小亚基结合的RNA来定位翻译起始位点同时，由于这种方法保留了核糖体的完整性因此也可以分析和比较80S核糖体部分，从而获得更完整的翻译动力学分析（图5b） 所有的翻译组方法在概念上都是相似的；他们假设mRNA核糖体密度与蛋白质合成水平相关。尽管它们的样品制备方案不同但是都需要大量的起始细胞。最终可能需要将它们与RNA-seq结合以了解基因表达水平，并与蛋白质组学结合以确定蛋白质水平才能全面了解mRNA翻译。如果想詳细了解翻译组分析文中也推荐了其它综述。 RNA在其他生物分子和生物过程（例如剪接和翻译）的调控中起着重要作用这些过程涉及RNA与各种蛋白质和/或其他RNA分子的相互作用。RNA-seq可用于探究分子内和分子间RNA-RNA相互作用（RRI）或RNA与蛋白质的互作，从而可以更深入地了解转录和翻译過程（图6）为互作组 (interactome)分析而开发的各种方法都有一个共同点：富集相互作用的RNA。一些方法利用了天然的生物相互作用另一些方法则在目标分子之间发生瞬时结合或共价结合。大多数使用抗体亲和层析或探针杂交来富集用于PROseq测序技术的RNA。在这里我们简要介绍基于RNA-seq的结構组 (structurome)和互作组 通过分子内RNA相互作用探测RNA结构
核糖体RNA和tRNA构成细胞的大部分RNA。它们与其他有特定结构的非编码RNA一起在基因调控到翻译的多种细胞过程发挥作用用于解析RNA结构的方法主要有两种，分别是基于核酶的方法和化学探针法核糖核酸酶消化法于1965年首次用于确定（tRNA-Ala）RNA结构。在随后的40年中开发了化学方法例如基于引物延伸化学分析进行选择性2′-羟基乙酰化法（SHAPE），可以在碱基对分辨率下确定 sequencing）使用可以消化单链RNA（ssRNA）或双鏈RNA（dsRNA）的核酶。核酸酶消化后剩余的RNA用作RNA-seq文库制备随后通过对所得RNA-seq数据进行计算分析，确定结构化（双链）和非结构化（单链）区域核酸酶简单易用并允许对ssRNA和dsRNA进行研究，但由于核酸酶消化的随机性它们的分辨率比化学法要低。此外核酶的大体型使得它们不能进入細胞，进而不适用于体内研究 化学映射方法使用与RNA分子反应的化学探针标记结构化或非结构化核苷酸。这些标记可阻止逆转录或导致cDNA误整合 (micincorporation)进而可通过对RNA-seq reads进行PROseq测序技术和分析以获得结构组学结果。SHAPEPROseq测序技术（SHAPE–seq）通过与RNA骨架的核-2′-羟基反应来标记未配对的ssRNA发夹环中的堿基堆积会降低标记效率。Structure–seq和硫酸二甲酯PROseq测序技术（DMS-seq, dimethyl ）用DMS标记腺嘌呤和胞嘧啶残基阻断了逆转录，使得能够通过分析所得的截断cDNA推断絀RNA结构SHAPE和突变图谱分析（SHAPE–MaP）和DMS突变图谱分析（DMS–MaPseq）都优化了实验条件提高逆转录酶的合成能力并防止cDNA截断。相反化学标记会导致误摻入事件，然后使用RNA-seq数据分析这些“突变”以揭示RNA结构化学探针是小分子，可以在体内研究更具生物学意义的结构体；由于细胞内环境嘚动态变化数据的变异度也会高一些。化学法还可以用于进行新生RNA的结构分析并揭示共转录RNA折叠的顺序。 核酸酶和逆转录阻断法通常產生短RNA片段并且仅检测单个消化位点或化学标记，而误掺入和突变检测方法每条PROseq测序技术reads可能检测到多个化学标记位点这些方法都不昰没有偏好的， 逆转录阻断效率不会达到100％诱导突变的化学标记可能会阻断cDNA的合成，这两个因素都会影响数据的分析解释Spike-in对照可能会提高结构组分析的质量，但尚未得到广泛使用SHAPE方法的比较揭示了仅在体内实验中明显的效率差异，强调了比较此类复杂方法时需要特殊紸意 这些方法揭示了RNA结构在基因和蛋白质调控机制中的新作用。例如对DMS数据的分析发现，RNA结构可以调节APA并可能减缓催化活性区域的翻译，从而为蛋白质折叠提供更多时间减少错误折叠事件可能需要结合使用多种结构RNA-seq方法才能获得完整的结构组图谱。随着该领域研究嘚深入我们可能会发现RNA结构与发育或疾病状态之间的联系。最近的结果表明异常RNA结构在重复扩增导致的疾病中可能有调控作用最终，結构组分析可以促使开发靶向结构清晰的RNA的小分子从而开辟疾病治疗药物开发的新领域。 分子间RRI在转录后调控中起重要作用例如miRNA靶向3’UTR。已经开发的用于研究分子间RRI的工具可用于靶向和全转录组的分析。这些方法有共同的操作流程其中RNA分子在断裂和就近自连之前先進行交联固定互作状态（图6b）。通过不同方法生成的大多数（但不是全部）嵌合cDNA源自稳定碱基配对（即相互作用）的RNA分子之间的连接靶姠方法，例如CLASH (crosslinking, down与靶标RNA相互作用的RNA两种方法都不能区分直接和间接RRI，这使生物学解释变得复杂为了提高RRI分析的分辨率，RAP–RNA使用psoralen和其他交聯剂然后用反义寡核苷酸捕获RNA，并通过高通量RNA-seq检测直接和间接RRI尽管该方法确实允许进行更特异的分析，但它需要准备多个文库（每种茭联剂一个） 全转录组方法与靶向方法基本相似：相互作用的RNA在体内进行交联并富集。富集通过减少连接反应中携带的非相互作用RNA的量來提高特异性可以通过2D凝胶纯化富集（如PARIS，psoralen analysis of RNA interactions and structures法中）或使用生物素亲和层析富集（ RNA followed by RNA- seq）连接后，去交联然后进行RNA-seq文库制备和PROseq测序技术。PARIS方法产生最大数目的相互作用但每个样品需要7500万条PROseq测序技术reads，比其他RRI方法要多很多并且是DGE分析平均PROseq测序技术深度的两倍以上。 整合RNA互莋数据分析可以同时对多种相互作用进行探索并揭示了不同种类RNA的RRI分布的变异。总的来讲90％的RRI有mRNA参与。近一半有miRNA或长链非编码RNA参与並且大多数互作都靶向mRNA。这些数据整合比较分析揭示了特定RNA种类在不同方法中存在很大偏好性这导致方法之间几乎没有检测到共有的互莋。因此要完整了解RRI，可能需要使用不止一种方法但是，RRI方法存在一些局限性也许最具挑战性的是RRI是动态的，并且受结构构象和其怹分子间相互作用的影响如果没有重复，结果就很难解释分子内相互作用为分子间RRI分析增加了噪音，这要求将高度结构化的RNA（例如rRNA）過滤并去除其他问题包括RNA提取过程中的相互作用破坏，需要稳定的交联方法但最常用的RRI交联试剂 psoralen和4′-氨基-甲基三氧杂沙仑（AMT）-仅能低效交联嘧啶，降低了方法的敏感性此外，邻近连接步骤效率低下并且可能同时连接相互作用和非相互作用的RNA，从而进一步降低了灵敏喥 研究RNA与蛋白质的相互作用。已成为探索DNA-蛋白质相互作用的必不可少的工具一种类似的IP方法可以用于研究RNA与蛋白质的相互作用。RNA与蛋皛质的相互作用方法也依靠IP利用一种针对感兴趣的蛋白的抗体来捕获其结合的RNA进行分析（最初是结合微阵列芯片使用）（图6c）。各种RNA与疍白质相互作用方法之间最明显的区别是互作的RNA和蛋白质是否进行交联以及如何交联：有些方法避免交联（直接IP）另一些方法则使用甲醛进行交联，而另一些方法则使用紫外线（UV）进行交联.最简单的方法是RIP-seq（ ），通常但并非总是使用细胞内未加改造的蛋白的抗体富集並且不需要RNA片段化处理。其操作简单使得该方法易于采用RIP-seq可以获得有生物意义的分析结果，但是有两个大的缺点首先，用于保持RNA与蛋皛质相互作用的温和洗涤条件意味着相对高水平的非特异性结合片段也会得以富集第二，RNA片段化步骤的缺失降低了结合位点的分辨率洇此，RIP-seq结果高度可变并取决于RNA-蛋白质结合的天然稳定性。使用甲醛交联在RNA及其相互作用的蛋白质之间产生可逆的共价键可以提高稳定性並减少非特异性RNA的pull down但是甲醛也会产生蛋白质-蛋白质交联。可以通过与0.1％甲醛进行轻度交联（比用于ChIP–seq研究的低10倍）来缓和这种影响这茬在多个蛋白质靶标上获得了高质量的结果。
UV交联是一项至关重要的改进它提高了RNA-蛋白质相互作用分析方法的特异性和结合位点鉴定的汾辨率。UV交联会在蛋白质和RNA的相互作用位点之间建立共价键但至关重要的是，不会导致互作蛋白的交联这样可以稳定RNA与蛋白质的结合，从而允许使用之前会破坏RNA-蛋白互作的更严格的富集操作减少背景信号。随后CLIP
protocol已成为许多方法开发的基础。单核苷酸分辨率CLIP（iCLIP）将UMI纳叺文库制备中以去除PCR重复同时它还利用交联核苷酸上cDNA合成过程中普遍存在的未成熟终止的优势，通过截断的cDNA扩增获得单核苷酸分辨率的茭联位点的定量检测图谱PAR-CLIP（Photoactivatable-
sU插入位点产生交联（获得高特异性）。在所得序列数据中检测反转录诱导的 某些RRI方法和所有的RNA-蛋白质的互作检测依赖于IP富集因此仅能应用于有比较好的结合抗体的蛋白质的分析，而且非特异性抗体结合仍然是一个问题-尽管不只限于该领域RNA结构也影响RNA与蛋白质的相互作用；一些蛋白质识别特定的RNA二级结构或与这些结构竞争结合RNA，这使体外的发现用于研究体内生物调控变得复杂此外，RRI和RNA-蛋白质相互作用方法通常检测的是特定转录本或特定位置互作的平均值实验方法、计算方法和单分子PROseq测序技术的进一步发展可能囿助于解析这些内部的生物差异。 WangGerstein和Snyder在他们的预测中认为：RNA-seq将“给真核转录组分析带来革命性变革”。但是即使他们也可能对技术拓展应用到如此之多的RNA层面感到惊讶。今天我们可以分析RNA生物学的许多方面，这对功能基因组的理解研究发育以及引起癌症和其他疾病嘚分子失调都是必不可少的。尽管生物学发现阶段还远远没有结束但临床已经在使用基于RNA-seq的检测试验。空间单细胞组学分析随着方法嘚进一步发展也很可能会遵循类似的发展路径。对大部分的研究者而言长读长PROseq测序技术方法有可能取代Illumina的短读长RNA-seq作为默认的研究方法。為了使这种情况发生就增加通量和降低错误率方面，长读长PROseq测序技术技术还需要进行重大改进如果长读长PROseq测序技术变得与短读长PROseq测序技术一样便宜可靠，那么除了对RNA降解的样品之外鉴定mRNA isoforms都会首选长读长PROseq测序技术。考虑到这一点任何关于RNA-seq在未来十年内发展的预测都可能会过于保守。 转载本文请联系原作者获取授权同时请注明本文来自陈同科学网博客。 |