华大研「生命照相机」 为胚胎拍「 *** 」

◆时空组学联盟研究成果发布仪式。 香港文汇报记者郭若溪 摄 ◆小鼠胚胎第9.5天至16.5天的时空图谱。 受访者供图 ◆高精度全景式细胞分辨率小鼠胚胎地图。 受访者供图

首绘四种生物胚胎时空图谱 超高精度解析细胞变化

(记者 郭若溪 深圳报道)近日,由中国科学家主导,6个国家、32个科研团队共同参与完成了全球首批生命时空图谱。科学家们利用生命科学前沿机构华大集团自主研发的堪称「超广角百亿像素生命照相机」的时空组学技术Stereo-seq,首次绘制了小鼠、斑马鱼、果蝇、拟南芥四种模式生物胚胎发育或器官的时空图谱,这是首次从时间和空间维度上对生命发育过程中的基因和细胞变化过程进行超高精度解析,即实现了为胚胎拍「 *** 」,为认知器官结构、生命发育、人类疾病和物种演化提供全新方向。

科学的发展离不开工具的进步。此次研究所使用的时空组学技术Stereo-seq,堪称「超广角百亿像素生命照相机」,其具有亚细胞分辨率与厘米级视场,能同时「拍到」组织里每个细胞的基因信息和空间位置,助力研究人员认识生命的发展过程。

昔绘图需实验万次 今只需定位一次

据《细胞》论文第一作者、深圳华大生命科学研究院时空组学首席科学家陈奥介绍,时空组学技术Stereo-seq的研发耗时近3年,最初的动力源自于测序技术实现了高通量、低成本和全面国产化。「我们发现华大自主研发的DNBSEQ测序技术,其高通量芯片还能转换成具有空间位置信息的、阵列式排布的DNA纳米球空间捕获芯片,即『时空芯片』,进行单细胞或时空技术的研发。」

该芯片可实现超高精度和超大视野的生命分子成像,其分辨率可达500纳米,实现亚细胞定位。陈奥表示,通过Stereo-seq技术,人类首次以500纳米的空间分辨率,实现了生命全景时空图谱的绘制,解决了目前相关技术分辨率低不能实现单细胞分辨率、视场小不能进行较大组织的研究等问题。「在过去,要做几千甚至上万次的实验才能绘制的图谱,现在在『时空芯片』上,只需一次定位就能实现。这是生命科学工具的里程碑式突破。」

胚胎小鼠「 *** 集」 推动出生缺陷研究

以实验室明星小鼠为例,研究团队利用「生命照相机」,从小鼠胚胎发育的第9.5天开始,每天「拍」几张「照片」,直到16.5天,得到8个时期的53张「照片」形成了一个胚胎发育的「 *** 集」,记录了小鼠胚胎内器官发育和形成的细胞演变过程。这也是首次在单细胞分辨率水平上解析空间基因表达谱,为哺乳动物发育研究提供重要的数据参考,帮助认识胚胎的成长和器官发生,也为出生缺陷相关研究提供指导。

举例来说,Robinow综合征是一种典型的出生缺陷,临床表现为唇颚裂等面部和肢体发育异常,临床上已经发现与之相关的基因,但此基因如何导致这些异常却不得而知。研究人员在小鼠胚胎发育的过程中,对相关基因进行了定位,结果发现,在小鼠的嘴唇、上颚和脚趾均存在该基因的特异性高表达,说明这个基因在小鼠的唇颚和脚趾发育的过程中非常重要,这很好地解释了为什么临床上观察到的很多Robinow综合征患者出现唇颚裂、肢体短小等表现。

助攻克植物难题 盼培育优质农作物

此外,研究人员还成功开发出适用于植物的单细胞空间组技术,并将此技术应用于植物叶片细胞的空间组学研究,攻克了长期以来研究人员无法对植物叶片中高度相似细胞类型的分子特征进行有效解析的难题。该技术将会应用于植物基础科学研究和作物育种研究中,如在水稻、小麦和玉米等作物的种子发育和抗旱、耐高温和耐盐等机制解析中进行优势关键基因的挖掘,为高产、优质、抗逆作物品系的培育贡献力量。

深圳华大生命科学研究院生物信息首席科学家黎宇翔是首批生命时空图谱系列论文的共同通讯作者之一。他表示,时空组学技术所需要的数据体量相比过去的组学技术有数量级的提升,这是一项前所未有的挑战。为此,华大开发了一系列适应其数据分析的新算法及相关的可视化数据库,希望能助力解决未来该领域在计算存储、算法算力上可能面临的一系列挑战。

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