5月4日晚，深圳華大生命科學研究院（以下簡稱華大研究院）聯合多家機構在Cell出版社官網以時空組學聯盟（STOC）專題的形式釋出了全球首批生命時空圖譜。這是首次從時間和空間次元上對生命發育過程中的基因和細胞變化過程進行超高精度解析，為認知器官結構、生命發育、人類疾病和物種演化提供全新方向。
Cell出版社官網專題頁面截圖
研究人員利用華大自主研發的堪稱“超廣角百億像素生命照相機”的時空組學技術Stereo-seq，首次繪制了小鼠、斑馬魚、果蠅、拟南芥四種模式生物胚胎發育或器官的時空圖譜。其中，基于高精度大視場Stereo-seq技術繪制的小鼠胚胎發育時空圖譜相關成果在《細胞》（Cell）期刊線上發表，斑馬魚、果蠅、拟南芥時空圖譜相關成果在《細胞》子刊《發育細胞》（Developmental Cell）線上發表。
小鼠時空圖譜發表于《細胞》
斑馬魚、果蠅、拟南芥時空圖譜發表于《發育細胞》
Stereo-seq技術能同時“拍到”組織裡每個細胞的基因資訊和空間位置，其使用的晶片是研究人員基于華大自主研發的DNBSEQ測序技術研制的具有空間位置資訊的、陣列式排布的DNA納米球空間捕獲晶片。該晶片可以實作超高精度和超大視野的生命分子成像，其分辨率可達500納米（單個細胞可被400個像素點捕獲），實作亞細胞定位。同時，該技術還可以達到最大13厘米 x 13厘米的超大視野，實作器官和生命全景分子細胞圖譜的繪制。
“通過Stereo-seq技術，人類首次以500納米的空間分辨率實作了生命全景時空圖譜的繪制。在過去，要做幾千甚至上萬次的實驗才能完成的時空圖譜，現在，在華大自主研發的時空晶片上，隻需一次定位就能實作。這是生命科學工具的裡程碑式突破。”《細胞》論文第一作者、深圳華大生命科學研究院時空組學首席科學家陳奧表示。
Stereo-seq技術所使用的時空晶片
為推動時空組學在生命科學各個領域的廣泛應用，華大研究院等機構發起了時空組學聯盟，這是一個國際化科學聯盟，由來自哈佛大學、劍橋大學、牛津大學等16個國家的80多位科學家組成。本次專題成果是由華大研究院聯合時空組學聯盟機關主導的、時空組學聯盟産出的第一批重磅成果，包括1篇《細胞》（Cell）文章，3篇《發育細胞》（Developmental Cell）及4篇預印文章。
人體擁有37萬億細胞，是銀河系中恒星數量的100倍。然而，過去我們對于這些細胞如何組成一個複雜的生命體卻了解甚微。
17世紀，我們通過顯微鏡第一次看到了生命的微觀結構——細胞。20世紀，DNA測序技術讓我們第一次解析了生命大分子——DNA。如今，Stereo-seq技術不僅可以讓我們精确地了解每個細胞内的分子表達，還可以定位該細胞的空間位置。如果我們把擁有37萬億個細胞的人體比作我們賴以生存的地球，之前的技術或許能讓我們了解地球上有哪些生物，而Stereo-seq技術則可以讓我們看到每個生物分布在哪個國家，哪個地區，哪個城市，還能看到他們在做什麼，怎麼和其他物種交流，甚至，看到他們的過去和未來。
高精度全景式細胞分辨率小鼠胚胎地圖
“時空組學技術的出現，實作了生命在時間和空間次元上細胞‘地圖’的全面繪制，讓我們可以在細胞甚至亞細胞分辨率下，觀察到正常狀态和疾病狀态下分子和細胞的分布及細胞之間的互作情況，真正實作了從高精度結構的角度去了解功能，這将大大推動我們對于生命複雜性和人類疾病的全面認知。”系列論文的共同通訊作者之一、深圳華大生命科學研究院單細胞組學首席科學家劉龍奇表示。
研究者們利用這台“超廣角百億像素生命照相機”，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個時期的53張“照片”形成了一個胚胎發育的時空圖譜，就像一張生命全景地圖，記錄了小鼠胚胎内器官發育和形成的細胞演變過程。建構出了世界上首個系統清晰的小鼠器官跨時期空間基因表達圖譜集。這也是首次在單細胞分辨率水準上解析空間基因表達譜，為哺乳動物發育研究提供重要的資料參考，推動我們更好地認識胚胎的成長和器官發生，也為出生缺陷相關研究提供指導。
小鼠胚胎第9.5-16.5天的時空圖譜
Robinow綜合征是一種典型的出生缺陷，臨床表現為面部和肢體發育異常（如唇腭裂），臨床上已經發現與之相關的基因，但此基因如何導緻這些異常卻不得而知。研究人員在小鼠胚胎發育的過程中，對相關基因進行了定位，結果發現，在小鼠的嘴唇、上颚和腳趾均存在該基因的特異性高表達，說明這個基因在小鼠的唇腭和腳趾發育的過程中非常重要，這很好地解釋了為什麼臨床上觀察到的很多Robinow綜合征患者出現唇腭裂、肢體短小等表現。
“得益于Stereo-seq技術的超大視野，科研人員可以在發育中的小鼠胚胎上以非常高的分辨率和測序深度進行組織的分析和研究，” 時空聯盟成員、《細胞》論文共同作者、英國劍橋大學臨床醫學院（School of Clinical Medicine）院長Patrick Maxwell教授表示，“利用本研究免費公開的資料，大家可以真正地了解哺乳動物是如何發育的，組織是如何組成的等問題。這也将使我們深入了解發育的過程、正常的組織功能，以及疾病。”
“時空組學技術所需要的資料體量相比過去的組學技術有數量級的提升，這是一項前所未有的挑戰。為此，我們開發了一系列适應其資料分析的新算法及相關的可視化資料庫，希望能助力解決未來該領域在計算存儲、算法算力上可能面臨的一系列挑戰。”系列論文的共同通訊作者之一、深圳華大生命科學研究院生物資訊首席科學家黎宇翔提到。
除了小鼠，科研人員還對斑馬魚、果蠅等模式生物的發育過程進行了研究，建構了斑馬魚和果蠅胚胎發育的時空圖譜，為胚胎發育過程中的模式形成及相關分子機理研究提供重要的資料參考，也為進化過程中胚胎演化的研究提供了可能。
為攻克長期以來研究人員無法對植物葉片中高度相似細胞類型的分子特征進行有效解析的難題，研究人員還基于Stereo-seq技術成功開發出适用于植物的單細胞空間組技術，并将此技術應用于植物葉片細胞的空間組學研究。該技術将會應用于植物基礎科學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育和抗旱、耐高溫和耐鹽等機制解析中進行優勢關鍵基因的挖掘，為高産、優質、抗逆作物品系的培育貢獻力量。
除此之外，專題網頁還展示了4篇BioRxiv預印成果，包括猴腦時空組圖譜、蝾螈腦再生時空圖譜、惡性良性腫瘤發生過程時空組圖譜等，為腦科學研究和惡性良性腫瘤研究提供了強有力的工具。
“生命科學的進步有賴于技術的發展，未來我們還将進一步研發适用于臨床樣本的時空技術及時空多組學技術，我們相信該技術将為生命科學和醫學研究帶來重要推動作用。”系列論文的另一位共同通訊作者、深圳華大生命科學研究院院長徐訊表示，“生命時空圖譜的繪制離不開以大科學工程為組織方式的全球科學家的攜手合作，通過時空組學聯盟，我們未來将和各領域科學家共同努力，推動器官圖譜、疾病病理、個體發育和生命演化等方向的全面發展。”
系列研究由深圳華大生命科學研究院聯合中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院、南方科技大學、華中農業大學等來自6個國家的32個科研團隊共同參與完成。研究已認證倫理審查，嚴格遵循相應法規和倫理準則。