時空組學技術助力生物學和醫學發展

一直以來，科學家們努力解讀由30億堿基對組成的生命“天書”。隨著細胞組學向時空組學的全面突破，人們可以在時間和空間的維度上，清晰地看到身體每個細胞的全景特征，為理解基因組“天書”以及生物學和醫學研究帶來新機遇。

8月22日，《細胞》刊發了華大生命科學研究院團隊的綜述文章。該文章系統闡述了時空組學技術如何幫助理解人類基因組、推動生物學認知和醫學變革。

論文截圖

生命“中心法則”向“時空法則”邁進

1958年，英國科學家弗朗西斯·克里克首次提出生命“中心法則”，揭示了DNA中的遺傳信息如何流動，這是遺傳、變異、演化和適應背后的生物學基礎。在此基礎上，人類基因組計劃解析了人類遺傳密碼的30億個DNA堿基對和大約25000個基因，開啟了研究遺傳信息如何決定生物功能的新時代。

然而，即使知道了這30億個堿基對，科學家們卻依舊不能完整地理解基因組。如何將時間和空間因素加入考慮范疇，從中心法則推演到生命的時空規律？

測序技術的進步使大規模多組學解析成為可能，它可以分析組織水平上的遺傳信息表達調控異質性，但無法完全揭示組織內不同細胞類型的異質性。細胞組學能夠精確分析單個細胞內的遺傳信息，在多個維度上定義細胞類型和狀態，但缺乏位置信息。

該文章提出，時空組學技術的發展，使人們能夠全面解析細胞組成、定位、細胞間相互作用和細胞微環境的在時空動態。

時空組學技術總體可以分成兩大類，即基于成像的方法和基于測序的方法。基于測序的時空轉錄組學技術能夠進行全基因組范圍的分析，從早期的微米級分辨率技術，進一步發展成為納米級分辨率技術。

盡管轉錄組顯著提升了研究者對基因表達和調控的理解，但也僅是單層信息。時空組學在其他組學檢測方面相關的技術在不斷出現。在時間分辨率方向，雖然目前的時空研究主要限于連續采樣，為細胞分化和發育的精確追蹤提供了可能。

“當然，時空組學技術仍面臨挑戰，未來的技術發展應朝著更高的空間精度、多維度分析、以及更好的可及性方向努力。”論文第一作者、華大生命科學研究院細胞組學領域首席科學家劉龍奇表示。

探索生命科學的“GPS”系統

時空組學就像一個強大的“生命GPS系統”，揭示生命運作的時空動態背后的機制。時空組學數據的分析不僅是分析細胞類型異質性，還需要準確定位細胞的時空特征，從而擴大輸入信號的維度和模式，映射出從細胞分布到細胞間連接、通訊和細胞形態等全景、動態信息。

通過時空組學，科學家們能夠以前所未有的精度繪制出各種器官內的基因特征、細胞類型、密度及其互作關系，為理解器官結構和功能提供數據支撐；可以解析包括大腦、心臟、腸道等發育中的器官，以及包括人類、小鼠、斑馬魚和果蠅在內的多種物種胚胎的時空動態，尋找發育和再生過程的奧秘；還能提供比基因組和細胞組學更詳細的組織結構層面的證據，助力研究生命演化的時空規律。此外，時空組學也為研究疾病的發生、發展和治療提供了全新的視角。

在臨床方面，時空組學還將推動臨床病理的變革，特別體現在高異質性疾病的分型、個性化治療和預后的方案制定方面。對于未分化腫瘤和原發灶不明的癌癥，與過去單一標記檢測方法相比，空間組學分析方法提供了更高的診斷敏感性和準確性。未來，結合時空組學和AI算法，將實現臨床病理診斷的新變革。

2022年，時空組學聯盟成立，旨在通過聯合全球科學家的力量，基于大規模的時空多組學分析，在器官圖譜、發育與衰老、人類疾病和生命演化四大方向上加速人們對生物學過程的理解。該文章指出，為了更好地推動時空組學大科學計劃，需考慮組建跨學科團隊，建立全球多中心組學平臺和數據協作組，以及成立標準協作組。

“時空組學將極大推動我們對生物過程的細胞和分子基礎的理解。同時，人工智能和計算生物學的快速進展將顯著推動細胞圖譜數據、成像和臨床表型數據與AI算法的整合。這一整合將大大推動疾病診斷、治療和預后方法的進步，加速精準醫學的臨床應用。”論文通訊作者、華大生命科學研究院院長徐訊表示。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.07.040