生命科学研究，生命科学研究杂志
时空组学是什么？
为什么说它开启了生命科学领域的第三次科技革命？
它能应用在哪些方面？对我们的生活有什么影响？
今天，让我们来听华大生命科学研究院单细胞组学首席科学家、细胞所所长刘龙奇聊聊时空组学和单细胞的那些事儿。
单细胞与时空组学
大家或许了解单细胞测序技术，单细胞多组学、空间转录组学分别是Nature Methods在2019年和2020年的年度技术。作为底层的技术，相信它们未来对于生命科学能够带来很多新的助推作用。
人体有37万亿个细胞，就像物质是由元素组成的一样，我们的每一个器官都是由细胞组成的。这里有两个非常重要的问题：每个器官包含哪些种类的细胞类型；这些细胞类型是通过什么方式构成一个完整的、有功能的器官。
约350年前，我们第一次通过显微镜观察到生命的基本功能单元——细胞。但是，那时候只能从细胞的形态角度进行观察。
测序技术出现后，我们可以对基因组的序列进行非常精准的解析，让我们看到了细胞内部的生命大分子。但为什么人体有这么多种不同的细胞类型，它们之间的差别是什么，仍旧是未知的。
这也是后来单细胞以及时空组学领域的突破。这些技术让我们真正地看到了这些细胞是什么，它们的结构、定位是什么样的。
细胞组学的数据量与过去做基因组的数据量相比，有数量级的提升。所以说，未来这个领域的体量一定是非常大的，需要全球科学家共同努力、共同推动，当然对未来计算资源的需求也非常大。
简单地介绍一下单细胞组学和时空组学这两个技术：单细胞技术是把组织打散以后对其中的细胞类型进行解析，时空组学能解析细胞类型，但更强大的能力是对细胞的定位进行解析。单细胞组学这一块，我们已有一套高通量的基于液滴的负压介导微流控系统，可以实现比较精准的细胞分类和细胞命运转变的解析。
今年我们在Nature上发表了两篇单细胞研究的文章。
第一篇是在今年3月22日，中科院和华大等多家机构，通过体细胞诱导培养出了类似受精卵发育3天状态的人类全能干细胞。
10年前，诺贝尔生理学或医学奖颁发给了将成熟体细胞诱导为多能干细胞的日本科学家山中伸弥。彼时得到的多能干细胞仅相当于受精卵发育5-6天的状态，而本研究获得的是相当于受精卵发育3天的胚胎细胞，比诺奖诱导的干细胞提前了2-3天！
正是这2-3天的差距，让诱导得到的细胞从多能干细胞变成了全能干细胞。这也是迄今为止在体外获得的最年轻的人类细胞，具备非常强的发育潜力。
另一篇文章于今年4月发表，华大联合国内外机构通过对猕猴的45个组织或器官的约114万个细胞进行单细胞测序后，获得了全球首个非人灵长类动物全身器官细胞图谱。
这个图谱将被用于物种进化、人类疾病以及药物评价和筛选相关的研究，为生物医学发展提供一个基础性的资源和工具，为疾病诊疗、靶向药物开发提供助力，为人类更好地探究生命的进化提供可能。
时空组学的技术突破
单细胞组学的主要问题是，在建库过程中丢失了细胞位置信息。但结构决定功能，位置信息非常重要。
其实最早的空间组学技术是单分子荧光原位杂交（smFISH），但是过去只能做单个或少数几个基因的原位定位。
随着多色荧光标记技术的发展，基于原位杂交现已实现了几百甚至几千个基因的同时检测，比如容错多重荧光原位杂交（MERFISH）、顺序荧光原位杂交（seqFISH）。
但是这些技术始终做不到全基因组范围，所以无法同时看到全部基因的表达情况。
另外，这类技术依赖于原位成像。因为高精度成像的速度限制，所以它能得到的视野大小也非常有限。近一两年，有很多新的基于测序的时空组学技术出现，但目前还存在一些挑战。
基于测序技术的时空组学技术需要捕获芯片，这个芯片的性能决定了技术能达到的效果。比如芯片上捕获的信号点有多大，两个信号点之间的距离有多远，这两个参数决定了这个技术的精度、分辨率到底有多高。
芯片的大小决定了最后捕获到的组织能有多大。到底是捕获很小的一个区域，如大脑里很小的脑区，还是能够把整个大脑进行解析，它们对芯片大小的要求是不一样的。过去虽然有一些相关技术，但基本都在分辨率或视野上存在缺陷。
而华大生命科学研究院研发的时空组学技术是基于DNA纳米球测序芯片，这张芯片过去是用于测序的。我们最早使用的芯片有效面积大概是5厘米×6厘米，但这张芯片上大概有20个亿信号点。
在测序过程中，我们把DNA进行环化和线性扩增，变成一个长链单链，它会自发形成毛线球一样的结构，我们把这叫作DNA纳米球。
然后，再把它加载到芯片上，95%~99%以上的信号点都能被纳米球占据，每一个信号点有且仅有一个DNA纳米球。纳米球之间的距离是500纳米，纳米球大小是220纳米。
如果把DNA放上去，我们通过DNA纳米球测序技术就可以做DNA测序，那我们如果把组织铺上去，是不是就可以进行组织的原位捕获？
带着这个思路，华大研究院时空组学首席科学家陈奥带领研发团队进行攻关，最后实现了组织的原位捕获。这就是华大的时空组学技术Stereo-seq。
这个芯片的好处是，一方面，信号密度极高；另一方面，芯片非常大，达到5厘米×6厘米，最大还有13厘米×13厘米。
相比同行的技术，我们的技术在分辨率、视野上都远远优于目前的其他同类技术。
发育时空图谱
这个技术可以做什么？这是一个非常直观的比较。
同样的胚胎切片，进行时空组学测序，可以对整个胚胎范围内的所有基因进行分析，我们能够获得非常多的基因表达信息。
通过这个技术，可以实现单细胞分辨率的全组织尺度的细胞定位。
这是我们将时空组学技术用于大脑的研究，每个点代表一个转录本。我们可以非常清晰地看到转录本聚集的现象，通过转录本的聚集可以把一个细胞圈出来，进行空间细胞定位。
通过这个技术，我们构建了小鼠胚胎发育的时空转录组图谱。在小鼠胚胎发育的第9.5~16.5天，每个阶段都进行多张切片捕获，这个图谱做到了真正的单细胞分辨率。
一张胚胎切片上有32万个细胞，我们分割出来进行空间定位，可以非常清晰地得到每种细胞类型以及各细胞类型的空间定位，包括不同细胞类型在胚胎的不同位置，可能存在的不同特征或者不同成熟程度。
我们可以在胚胎上进行系统描绘。
除了小鼠胚胎发育，我们也系统构建了斑马鱼的胚胎发育图谱，包括斑马鱼早期发育时期细胞的去向、空间分化以及空间定位的改变等。
我们同时构建了另外一个重要模式生物——果蝇的胚胎发育。我们把果蝇的胚胎进行全面3D重构，最后得到了果蝇胚胎每个过程的分子和细胞3D图谱。
我们植物团队将时空组学技术在植物领域做了初步尝试，给拟南芥叶片做了空间组图谱。
过去在单细胞领域没有做太多的植物研究，主要原因是细胞壁在细胞解离过程中是很大的障碍。但在时空组学技术上，我们发现细胞壁不仅不是缺点，还是很大的优点。因为细胞壁的染色可以告诉你细胞边界在哪里，自然地就可以进行细胞分割。
今年5月，Cell官网以专题的形式发布了小鼠、果蝇、斑马鱼、拟南芥时空组学研究成果。其中，小鼠胚胎发育时空图谱相关成果在Cell期刊以封面文章的形式发表。
器官再生时空图谱
我们知道，人类大脑在受伤之后，很难自行恢复，但蝾螈却可以。大脑再生是一个复杂的生物学过程。为了弄清楚蝾螈脑再生的过程中，发生了哪些关键的变化，有哪些重要的细胞参与，以及其分别行使的功能，华大联合广东省人民医院、武汉大学等机构，基于华大的时空组学技术Stereo-seq，共同完成了蝾螈脑再生时空图谱，这也是全球首个高分辨率蝾螈脑再生时空图谱，成果以背靠背封面文章的形式发表于Science。
通过研究，华大找到了蝾螈脑再生过程中的关键神经干细胞亚群，描绘了此类干细胞亚群重构损伤神经元的过程，同时还发现脑再生与发育过程具有一定的相似性，为认知脑结构和发育过程提供助力，为神经系统的再生医学研究和治疗提供新的方向。
蝾螈在进化上相较于其他硬骨鱼类更高等，与哺乳动物脑结构具有更高的相似度。同时，它的基因编码序列与人类极其相似，研究蝾螈脑再生的启动机制，发现其中的关键基因，或将为人类神经系统损伤或退行性疾病的修复提供重要指导。
应用于疾病研究
结直肠癌是一个重要的肠道恶性肿瘤，我们也通过时空组学技术进行了研究。
我们对肿瘤组织进行测序，通过空间捕获的转录本数据，直接把基因组变化进行精确的空间组定位。
比如，我们发现结直肠癌存在不同的区域，有一个黏膜上皮细胞的相关基因拷贝数变得非常多。它定位在一个非常特异的局部区域。
在这个局部区域，免疫反应非常活跃，我们能看到抗原呈递分子、免疫趋化因子的高表达。我们也看到，这种情况跟患者的良好预后是有关系的。这可以作为一个概念验证。
我们相信随着技术的进步，未来时空组学非常有潜力能够进行肠道微生态的直接捕获，帮助我们解决肠道微生态的组成分布，以及肠道微生物跟宿主的关系等难题。
黑色素瘤因其高度异质性和可变性，一直以来是全球癌症研究和公共卫生的重要挑战。
比利时鲁汶VIB癌症生物学中心的研究人员利用包括华大Stereo-seq等在内的联合分析方法，在黑色素瘤中鉴定出一群数量有限但能有效支持肿瘤生长的致瘤细胞群，为开发黑色素瘤的早期检测以及制定治疗措施提供帮助。
这个研究成果在9月21日发表在了Nature上。这也是继Cell和Science之后，华大Stereo-seq技术再次助力科研成果登上世界顶级科研期刊，实现CNS大满贯。
为了推动时空组学在生命科学各个领域的广泛应用，华大研究院等机构发起了时空组学联盟。截至目前，已经有来自全球30个国家的近150位顶尖科学家参与其中。这个联盟主要聚焦于器官、疾病、发育、演化四大方向，希望未来能携手更多科学家共同推进人类终极问题的回答。
*本文部分内容来源于“热心肠”微信公众号
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