刘龙奇：时空组学，“拍照”生命全景地图

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编者按

5 月 29 日，第十八个“世界肠道健康日”，GUT 2022系列活动迎来“第四届中国肠道产业大会主论坛”，特别邀请了人工智能、生物科学、全球十强乳业、微生态、科学营养等领域十位专家学者和企业代表，分享领域进展与行业新知。

本次特别整理发布华大生命科学研究院单细胞组学首席科学家刘龙奇的演讲视频及图文实录，以飨读者。

非常感谢蓝老师的介绍，以及给我这次机会跟大家交流时空组学。

我个人的背景比较偏向于技术以及发育研究，这是一次非常好的机会，因为我觉得我们做的这个技术，未来在肠道菌群相关的研究当中是有非常大的潜力的。

这个领域可能才刚刚开始，我也给大家简单说一下，我对这个技术未来应用的一些想法。

本演讲的幻灯片 .pdf 版将在热心肠菌群微信群分享，感兴趣的读者请按以下方法申请入群：

不同以往的时空组学

今天要介绍的这个技术就是时空组学，从时间和空间的维度，研究细胞以及分子在组织的定位以及相互作用。

大家可能都非常了解单细胞测序，而单细胞多组学、时空组学分别是Nature Methods在2019年和2020年的一个年度技术。作为底层的技术，我相信它未来对于生命科学能够带来很多新的助推作用。

我们为什么要做这个呢？一个主要的原因是，我们人体有37万亿的细胞，其实就像物质是由元素组成的一样，我们的每一个器官是由细胞组成的。

这里有两个非常重要的问题。一个是每个器官包含哪些种类的细胞类型；二是它的结构是什么样子，这些细胞类型是通过什么方式组织形成一个完整的、有功能的器官。

另一个非常重要的问题，我觉得未来值得深入去探索的，就是人体与微生物之间的关系。

在人体的不同部位，包括肠道里有非常多的微生物，这些微生物怎么样维持一个稳态去维持人体的健康，以及这些微生物的组成异常怎么导致疾病。我们未来有没有可能对这些微生物进行比较精准的细胞分辨率定位，我相信这个是非常重要的。

实际上，我们人类对细胞的认知是非常早的。最早是350年前我们第一次通过显微镜观察到生命的基本功能单元——细胞。但是，那个时候只能从细胞的形态角度进行观察。

从有了基因组测序技术一直到现在，我们可以对基因组的序列进行非常系统的解析，让我们看到了细胞内部的生命大分子结构。但是它还不能告诉我们的信息就是，为什么人体有这么多种不同的细胞类型，它们之间的差别是什么。

这也是后来单细胞测序，特别是近一两年来，时空组学测序领域的突破，让我们真正地看到了这些细胞是什么，这些细胞的结构、定位是什么样的。

在华大研究院，我们其实在细胞图谱平台做了一系列部署，包括今天我主要讲的，就是我们研发了高精度、大市场的空间组学技术。

在细胞类型的解析这一块，我们也自主研发了高通量的单细胞多组学技术，跟我们现在的高通量测序仪结合，可以实现大规模的细胞数字化研究。同时，我们有相应的算法团队以及图谱解析团队。

我想说的是，细胞组学的数据体量与过去我们做基因组的数据体量相比的话，有数量级上的一个提升。

所以说，未来这个领域的体量一定是非常超大数据的时代，我相信是需要非常多的科学家共同努力、共同推动，当然对未来资源的消耗也是非常大的。

简单地介绍一下单细胞跟时空组学这两个技术：一个是对细胞类型进行解析，另一个最大的能力就是对细胞的定位进行解析。单细胞测序这一块，我们已有一套高通量的基于液滴的负压介导微流控系统，可以实现比较精准的细胞分类。

然后，我们利用单细胞技术系统地进行了细胞命运的解析。

其中包括今年3月、4月，我们分别在Nature上发的两篇文章。

一个是关于人类全能干细胞的诱导。这个文章更多是通过体外操控细胞命运的技术，就是通过化学小分子将过去能够诱导成功的人类多能干细胞，

这个多能干细胞大概是胚胎发育第5~6天的状态。我们通过一系列的化学药物、小分子进一步诱导到了第3天的状态，这个过程中的效率比较低。

所以我们通过单细胞测序结合化学小分子筛选，找到了一小群细胞，它们具有全能性。我们再把这群细胞进行鉴定以及功能分析，进一步证明了它的全能性。

另外，我们对成年猕猴的成熟器官进行了高通量单细胞测序，共绘制了45个器官，得到了106种主要的细胞亚型和460多种主要的细胞亚类。然后，系统地构建了成年猕猴的整个细胞图谱以及分子特征。

通过这个，我们进一步研究了每个器官潜在的成体干细胞，以及400多种细胞类型跟人类疾病的关联。

时空组学的技术挑战

单细胞测序的主要问题是，在建库过程中丢失了一个非常重要的信息，就是细胞的位置信息。我们知道位置信息是非常重要的，因为它决定了结构以及相应的功能。

其实最早的空间组学的技术是单分子荧光原位杂交（FISH），但是过去只能做单个基因的原位定位。

随着技术的发展，通过更高通量的基因原位检测技术，现已实现了一系列的更高通量的技术，比如容错荧光原位杂交（MERFISH）、顺序荧光原位杂交（seqFISH）。

但是这些技术始终做不到全基因组，所以并不能实现所有基因检测，而且它做什么基因都需要先验知识去指导。

另外，这个技术依赖于拍照。因为拍照的速度是有限的，所以它能够得到的视野大小也是非常有限的。这一两年，大家看到有很多新的基于测序的时空组学技术出现，但目前还存在一些挑战。

基于测序的技术，它会有一张捕获芯片，这个芯片决定了技术的表现。比如芯片上捕获的信号点多大，两个信息点之间的距离有多远，两个参数决定最后这个技术的精度、分辨率到底有多高。

再有，芯片的大小，决定最后捕获到的组织能够有多大。到底是捕获很小的一个区域，比如大脑里很小的脑区，还是能够把整个大脑进行解析，对芯片大小的要求是不一样的。

虽然有些技术发表了，但是要么在分辨率，要么在视野，或者说两个方面都存在缺陷。

我今天要讲就是基于华大的一个自主技术，就是DNA纳米球技术，过去是用于测序的。这里面列的芯片是测序仪DNBSEQ-T测序系统的一张芯片，大小大概5厘米×6厘米，有效面积大概是这么大。

这是一张测序芯片，但是这个测序芯片非常有意思，它有密密麻麻的信号点，这张5厘米X6厘米的芯片上面大概有10个亿的信号点。

在测序过程中，我们是把DNA经过信号放大扩增变成一个长链单链DNA，它会自发形成毛线球一样的结构，我们就把它叫DNA纳米球。

然后把它加载到芯片上，能够保证95%~99%以上的信号点，每一个信号点有且仅有一个DNA纳米球。纳米球之间的距离是500纳米，纳米球大小是220纳米。

如果把DNA放上去，我们通过DNA纳米球技术就可以做DNA测序，但是我们如果把组织铺上去是不是就可以进行组织的原位捕获？

带着这个思路，我们研发团队进一步研发，最后实现了组织的原位捕获技术。

这个芯片的好处就是，一方面信号密度是极高的；另外一方面芯片非常大，5厘米×6厘米，最大还有13厘米×13厘米的芯片。

这是一个直接的比较。相比同行的技术，我们的技术在分辨率、视野大小上都远远优于目前的其他同类技术。

时空组学实现分子级数字化生命

这个技术可以做什么？这是一个非常直观的比较。

我们知道传统HE染色技术，这是对一个胚胎染出来的结果。同样的胚胎切片，完成时空组学测序的结果，可以对整个胚胎范围内的所有基因进行分析，我们能够获得非常多的基因表达信息。

通过这个技术，我们可以做到什么？它可以实现单细胞分辨率的全组织尺度的细胞定位。

这是我们在大脑做的结果，这是染色的数据，这是测序的数据，每个点代表一个转录本。我们可以看到非常清晰的转录本聚集的现象，通过转录本的聚集可以把一个细胞圈出来，进行空间细胞定位。

通过这个技术，首先我们构建了小鼠胚胎发育的时空转录组图谱。9.5~16.5天的胚胎，每个阶段都进行了多张切片捕获，这个图谱做到了真正的单细胞分辨率。

我们把一个胚胎拿出来，一张胚胎切片上有32万个细胞，我们分割出来进行空间定位，可以非常清晰地得到每种细胞类型以及各细胞类型的空间定位，包括不同细胞类型在胚胎的不同位置，可能存在的不同特征或者不同成熟程度。

我们可以在胚胎上进行系统描绘。

除了小胚胎发育，我们也系统构建了斑马鱼的胚胎发育，包括斑马鱼早期发育24小时以内，它的细胞去向、空间分化以及空间定位的改变。

我们同时构建了另外一个重要模式生物——果蝇的胚胎发育。我们把果蝇的胚胎进行全面3D重构，最后得到了果蝇胚胎每个过程的分子和细胞3D图谱。

我们有一个做植物的团队，在植物领域做了初步尝试，给拟南芥叶片做了空间组图谱。

过去在单细胞领域没有做太多的植物研究，主要原因是细胞壁在细胞解离过程中成为很大的阻碍。但在空间组，我们发现细胞壁不仅不是缺点，还是很大的优点。因为细胞壁的染色可以告诉你细胞边界在哪里，天然地就可以进行细胞分割。

时间组学应用于疾病研究

结直肠癌是一个重要的肠道恶性肿瘤，我们通过时空组学技术也进行了研究。

我们对肿瘤组织进行测序，通过空间捕获的转录本数据，直接把基因组变化进行精确的空间组定位。

比如，我们发现结直肠癌存在不同的区域，有一个黏膜上皮细胞的相关基因，拷贝数变得非常多。在结直肠癌，它是定位在一个非常特异的局部区域。

在这个局部区域，免疫反应非常活跃，我们能看到抗原呈递分子、免疫趋化因子的高表达。我们也看到，这种情况跟患者的良好预后是有关系的。这可以作为一个概念验证。

我相信，时空组是能够大大地促进我们对肠道肿瘤的理解。

对于肠道菌群的未来研究，目前时空组学基本上还没有相关的文章出现。

首先，它表达的转录组丰度比较低。另外，我们现在可能更多依赖多聚腺苷（polyA）捕获转录本，但肠道微生物的很多转录本都是非polyA的。当然，我们也非常关心肠道微生物的基因组，基因组的捕获现在也是一个问题。

这个技术才刚刚开始，我相信随着技术的进步，未来非常有潜力能够进行肠道微生态的直接捕获。所以，未来这个技术能够帮助我们解决肠道微生态的组成分布，以及肠道微生物跟宿主的关系。

我们非常关心的另一个新领域，是脑部疾病与肠道菌群的关联。对于肠-脑轴的研究，未来我们需要回答怎样通过肠道微生物分泌的因子，去跟脑细胞或者神经系统细胞进行互作。

我相信这也是一个非常有意思的未来研究方向。

为了推动这个领域，我们组建了时空组学联盟。最近在Cell上发布了这个联盟，也吸引了来自全世界20多个国家、90个团队的参与。

它主要是聚焦于生理学、发育与衰老、疾病、演化四大方向，进行全面的研究。

这是我们最近在Cell发表的这个联盟的首批成果，有几篇是正式发表的，另有几篇可能会陆陆续续地正式发表。

非常感谢大家，也感谢我们的技术研发团队以及合作伙伴。