人體擁有37萬(wàn)億細(xì)胞，是銀河系中恒星數(shù)量的100倍。17世紀(jì)，我們通過(guò)顯微鏡第一次看到了生命的微觀結(jié)構(gòu)——細(xì)胞。20世紀(jì)，DNA測(cè)序技術(shù)讓我們第一次解析了生命大分子——DNA。然而，我們對(duì)于細(xì)胞如何組成一個(gè)復(fù)雜的生命體仍然了解甚微。

5月4日，深圳華大生命科學(xué)研究院（下稱“華大研究院”）聯(lián)合多家機(jī)構(gòu)在Cell出版社官網(wǎng)以時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟（STOC）專題的形式發(fā)布了全球首批生命時(shí)空?qǐng)D譜。這是首次從時(shí)間和空間維度上對(duì)生命發(fā)育過(guò)程中的基因和細(xì)胞變化過(guò)程進(jìn)行超高精度解析，為認(rèn)知器官結(jié)構(gòu)、生命發(fā)育、人類疾病和物種演化提供全新方向。

研究團(tuán)隊(duì)利用華大自主研發(fā)時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，首次繪制了小鼠、斑馬魚、果蠅、擬南芥四種模式生物胚胎發(fā)育或器官的時(shí)空?qǐng)D譜。其中，基于高精度大視場(chǎng)Stereo-seq技術(shù)繪制的小鼠胚胎發(fā)育時(shí)空?qǐng)D譜相關(guān)成果在《細(xì)胞》（Cell）期刊在線發(fā)表，斑馬魚、果蠅、擬南芥時(shí)空?qǐng)D譜相關(guān)成果在《細(xì)胞》子刊《發(fā)育細(xì)胞》（Developmental Cell）在線發(fā)表。

系列研究由深圳華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院、南方科技大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等來(lái)自6個(gè)國(guó)家的32個(gè)科研團(tuán)隊(duì)共同參與完成。

值得關(guān)注的是，為推動(dòng)時(shí)空組學(xué)在生命科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，華大研究院等機(jī)構(gòu)發(fā)起了時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟，這是一個(gè)國(guó)際化科學(xué)聯(lián)盟，由來(lái)自哈佛大學(xué)、劍橋大學(xué)、牛津大學(xué)等16個(gè)國(guó)家的80多位科學(xué)家組成。本次專題成果則是由華大研究院聯(lián)合時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟單位主導(dǎo)的、時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟產(chǎn)出的第一批重磅成果。

Stereo-seq堪稱“超廣角百億像素生命照相機(jī)”。該技術(shù)能同時(shí)“拍到”組織里每個(gè)細(xì)胞的基因信息和空間位置，其使用的芯片是研究團(tuán)隊(duì)基于華大自主研發(fā)的DNBSEQ測(cè)序技術(shù)研制的具有空間位置信息的、陣列式排布的DNA納米球空間捕獲芯片。該芯片可以實(shí)現(xiàn)超高精度和超大視野的生命分子成像，其分辨率可達(dá)500納米（單個(gè)細(xì)胞可被400個(gè)像素點(diǎn)捕獲），實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞定位。同時(shí)，該技術(shù)還可以達(dá)到最大13厘米x13厘米的超大視野，實(shí)現(xiàn)器官和生命全景分子細(xì)胞圖譜的繪制。

Stereo-seq技術(shù)所使用的時(shí)空芯片。

研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)，在小鼠胚胎器官形成的第9.5-16.5天，每天“拍攝”多張“照片”，得到8個(gè)時(shí)期的53張“照片”形成了一個(gè)胚胎發(fā)育的時(shí)空?qǐng)D譜，就像一張生命全景地圖，記錄了小鼠胚胎內(nèi)器官發(fā)育和形成的細(xì)胞演變過(guò)程。構(gòu)建出了世界上首個(gè)系統(tǒng)清晰的小鼠器官跨時(shí)期空間基因表達(dá)圖譜集。

這也是首次在單細(xì)胞分辨率水平上解析空間基因表達(dá)譜，為哺乳動(dòng)物發(fā)育研究提供重要的數(shù)據(jù)參考。

小鼠胚胎第9.5-16.5天的時(shí)空?qǐng)D譜。

除小鼠之外，科研團(tuán)隊(duì)還對(duì)斑馬魚、果蠅等模式生物的發(fā)育過(guò)程進(jìn)行了研究，構(gòu)建了斑馬魚和果蠅胚胎發(fā)育的時(shí)空?qǐng)D譜，為胚胎發(fā)育過(guò)程中的模式形成及相關(guān)分子機(jī)理研究提供重要的數(shù)據(jù)參考，也為進(jìn)化過(guò)程中胚胎演化的研究提供了可能。

為攻克長(zhǎng)期以來(lái)研究人員無(wú)法對(duì)植物葉片中高度相似細(xì)胞類型的分子特征進(jìn)行有效解析的難題，研究人員還基于Stereo-seq技術(shù)成功開發(fā)出適用于植物的單細(xì)胞空間組技術(shù)，并將此技術(shù)應(yīng)用于植物葉片細(xì)胞的空間組學(xué)研究。該技術(shù)將會(huì)應(yīng)用于植物基礎(chǔ)科學(xué)研究和作物育種研究中，如在水稻、小麥和玉米等作物的種子發(fā)育和抗旱、耐高溫和耐鹽等機(jī)制解析中進(jìn)行優(yōu)勢(shì)關(guān)鍵基因的挖掘，為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆作物品系的培育貢獻(xiàn)力量。

上述專題網(wǎng)頁(yè)還展示了4篇BioRxiv預(yù)印成果，包括猴腦時(shí)空組圖譜、蠑螈腦再生時(shí)空?qǐng)D譜、腫瘤發(fā)生過(guò)程時(shí)空組圖譜等，為腦科學(xué)研究和腫瘤研究提供了強(qiáng)有力的工具。

“通過(guò)Stereo-seq技術(shù)，人類首次以500納米的空間分辨率實(shí)現(xiàn)了生命全景時(shí)空?qǐng)D譜的繪制。在過(guò)去，要做幾千甚至上萬(wàn)次的實(shí)驗(yàn)才能完成的時(shí)空?qǐng)D譜，現(xiàn)在，在華大自主研發(fā)的時(shí)空芯片上，只需一次定位就能實(shí)現(xiàn)。這是生命科學(xué)工具的里程碑式突破?！薄都?xì)胞》論文第一作者、深圳華大生命科學(xué)研究院時(shí)空組學(xué)首席科學(xué)家陳奧表示。

系列論文的共同通訊作者之一、深圳華大生命科學(xué)研究院?jiǎn)渭?xì)胞組學(xué)首席科學(xué)家劉龍奇也表示，“時(shí)空組學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了生命在時(shí)間和空間維度上細(xì)胞‘地圖’的全面繪制，讓我們可以在細(xì)胞甚至亞細(xì)胞分辨率下，觀察到正常狀態(tài)和疾病狀態(tài)下分子和細(xì)胞的分布及細(xì)胞之間的互作情況，真正實(shí)現(xiàn)了從高精度結(jié)構(gòu)的角度去理解功能，這將大大推動(dòng)我們對(duì)于生命復(fù)雜性和人類疾病的全面認(rèn)知。”

“得益于Stereo-seq技術(shù)的超大視野，科研人員可以在發(fā)育中的小鼠胚胎上以非常高的分辨率和測(cè)序深度進(jìn)行組織的分析和研究，” 時(shí)空聯(lián)盟成員、《細(xì)胞》論文共同作者、英國(guó)劍橋大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院（School of Clinical Medicine）院長(zhǎng)Patrick Maxwell教授表示。

Maxwell進(jìn)一步提到，“利用本研究免費(fèi)公開的數(shù)據(jù)，大家可以真正地理解哺乳動(dòng)物是如何發(fā)育的，組織是如何組成的等問(wèn)題。這也將使我們深入了解發(fā)育的過(guò)程、正常的組織功能，以及疾病?！?/p>

Cell專題頁(yè)面鏈接：https://www.cell.com/consortium/spatiotemporal-omics