全新生命科學(xué)工具 繪制全球首批生命時空圖譜

“這是生命科學(xué)工具的里程碑式突破！”深圳華大生命科學(xué)研究院時空組學(xué)首席科學(xué)家陳奧興奮地說。

5月4日晚，深圳華大生命科學(xué)研究院（以下簡稱華大研究院）聯(lián)合多家機構(gòu)在細(xì)胞出版社官網(wǎng)以時空組學(xué)聯(lián)盟（STOC）專題的形式發(fā)布了全球首批生命時空圖譜。研究人員首次繪制了小鼠、斑馬魚、果蠅、擬南芥4種模式生物胚胎發(fā)育或器官的時空圖譜。

其中，介紹小鼠胚胎發(fā)育時空圖譜的論文刊登于《細(xì)胞》雜志，另外3篇分別展示果蠅、斑馬魚和擬南芥時空圖譜的論文發(fā)表于《細(xì)胞》子刊《發(fā)育細(xì)胞》。系列論文不僅展現(xiàn)出動植物器官形成過程中細(xì)胞的動態(tài)演化，還將加深我們對生命演化的認(rèn)識，有望為遺傳疾病開發(fā)全新療法。

時空圖譜的意義在于，研究人員可以利用其識別組織內(nèi)特定細(xì)胞的特征，幫助理解疾病的形成、篩查。

例如，Robinow綜合征是一種典型的出生缺陷，患兒會出現(xiàn)唇腭裂、肢體短小等癥狀。此前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了與這種疾病相關(guān)的基因，但這個基因如何導(dǎo)致癥狀卻是未知數(shù)。利用時空圖譜，科研人員可以在胚胎發(fā)育過程中對該基因進(jìn)行定位，有助于揭示其發(fā)病機制。

但問題是，傳統(tǒng)辦法需要幾千甚至上萬次實驗，才能夠獲取時空圖譜。“而利用Stereo-SEQ技術(shù)，只需一次定位就能實現(xiàn)。”作為小鼠胚胎發(fā)育時空圖譜論文第一作者，陳奧告訴科技日報記者。

Stereo-SEQ是一項全新的時空組學(xué)技術(shù)，能同時“拍到”組織里每個細(xì)胞的基因信息和空間位置。如果把擁有37萬億個細(xì)胞的人體比作地球，那么該技術(shù)可以讓我們看到每個生物的全部信息，包括它的過去和未來。

為Stereo-SEQ技術(shù)提供核心支撐的，是基于華大自主研發(fā)的DNBSEQ測序技術(shù)研制、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。

“時空組學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，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，必將大大推動我們對于生命復(fù)雜性和人類疾病的全面認(rèn)知。”系列論文的共同通訊作者之一、深圳華大生命科學(xué)研究院單細(xì)胞組學(xué)首席科學(xué)家劉龍奇表示。

在系列論文中，中外科學(xué)家對小鼠、斑馬魚、果蠅等模式生物的發(fā)育過程進(jìn)行了研究，為胚胎發(fā)育過程中的模式形成及相關(guān)分子機理研究提供了重要的數(shù)據(jù)參考，也為進(jìn)化過程中胚胎演化的研究提供了可能。

在植物方面，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、耐高溫和耐鹽等機制解析中進(jìn)行優(yōu)勢關(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。

據(jù)了解，系列研究由深圳華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合中國科學(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)等來自6個國家的32個科研團(tuán)隊共同完成。研究已通過倫理審查，嚴(yán)格遵循相應(yīng)法規(guī)和倫理準(zhǔn)則。