课程回顾（八）丨华大基因X-idea：时空组学和数字化生命

7月28号上午，深圳零一学院暨清华大学钱学森力学班2021暑期学校“X-idea—交叉创新挑战性问题”系列课程第八课在腾讯会议上开讲。

华大生命科学研究院单细胞组学领域首席科学家、超级细胞研究所所长刘龙奇老师以《时空组学和数字化生命》为话题进行了学术报告。报告由由清华大学国际研究生院博士生、零一学院专业助教杨翼铭同学担任主持人。

内容简介：

一个细胞如何发育成具有亿万个多种细胞类型的统一有机体，是生命科学最基本的问题之一，深入研究这个问题需要从单细胞和空间的尺度上进行。单细胞组学和时空组学是最近几年发展的新技术，以高通量测序为基础，获取单个细胞的转录组，蛋白组，表观组等组学信息，同时获取细胞的空间定位信息，使研究者可以同时在时间和空间两个维度下全方位研究发育过程。本课程将介绍单细胞组学和时空组学的技术原理，在发育及疾病研究中的应用，并对领域发展存在的问题和机遇进行总结和展望。

刘龙奇老师首先让同学们观看了视频：从无穷大到无穷小，揭露了物理各领域联系紧密的环形的蛇的现象，并重提哲学三问题，开题便引发同学们的兴趣与思考。之后，他从进化、发育的角度看待人类发展，同时简单介绍了基因研究中的历史性突破：1944年艾弗里实验得出基因物质基础是DNA 、遗传中心法则的发现以及人类基因组计划的诞生。随之他阐述了人类基因组计划诞生的原因：基因功能性十分强大，它决定了很多东西，检测基因可以帮助人类疾病诊断和治疗、人类自身了解，具有重大意义。

在铺垫了一些基本知识后，讲座进入正题。刘老师详细讲解了人类基因组计划诞生的原因和其无法回答与解决的问题，例如在人的基因数量与动物相差不大的情况下，人类为何能成为高等生物等等。随后，刘老师深入且生动地讲解了waddington landscape理论模型：分化的势能可以形象地理解为重力势能，随着分化程度的增加，全能性逐渐降低；并且说明表现型是由基因和环境共同作用而成的。随后刘老师通过结构决定功能的例子（如甲基化等）讲解了表观遗传学。用刘老师的话来说：基因是硬件，表观遗传学则是软件。

之后，刘龙奇老师继续通过举例多维地解释了表观遗传学：所谓98%的“垃圾DNA”其实是基因控制解旋、启动子等的非编码区；染色体具有紧密折叠结构，DNA伸直约长1.2米等。其中他还提及核小体分布不均和组蛋白密码。通过以上现象，从而刘老师引出了最核心问题：细胞是如何表达出不同类型的？既然没有任何一致的细胞，37万亿个细胞有没有可能全部测出来？于是，结合设备技术工具（显微镜——扫描电子显微镜——STROM超高分辨率显微镜——冷冻电镜）的进步，单细胞组学成功出世。

接下来，刘龙奇老师简单介绍了单细胞组学及空间组学：依次讲解单细胞技术的必要性、进步与发展（单管——多孔板——微流控通道——液滴微流控）及测序原理。并且展示了其应用，如：制出猕猴的新冠病毒受体表达图谱、鉴定所有细胞亚型、各种病基因突变位点、昆虫的社会性演化等等。其中，他详细讲解了检测蚁群社会分工（雌蚁、雄蚁、蚁后、工蚁）的神经机制：工蚁和其他三种蚂蚁在大脑细胞类型有两个特别不同的地方——一个是负责交配，一个是负责学习记忆，从而解释了蚂蚁的社会分工现象。

同时刘老师也介绍了单细胞组学与新冠疫情相关联的研究成果：新冠尸检的临床发现和单细胞组学的结果一致——除肺之外，肾也是新冠病毒的目标之一。随后，刘老师介绍了高通量单细胞测序：在微流控芯片控制下，每个液滴包裹一个细胞（又称“打一个标签”）来测序，利用微流控芯片做到五分钟上百万液滴的高通量单细胞测序让同学们大开眼界，直呼精妙。

最后，刘龙奇老师隆重介绍了华大自主研发技术：DNB纳米球印刷术，并对领域发展存在的问题和机遇进行总结和展望。

在刘老师为同学们答疑解惑后，同学们便有序的展开了讨论，并根据自己的成果进行汇报。有的组提出可以利用时空组学来预测疾病，或是使用单细胞测序，对细胞进行溯源。针对于基因中的垃圾DNA的现象，同学们提出了自己的见解，如这部分DNA可能是为了保护可编码蛋白质部分的DNA，或者是用于调节其他基因的功能。针对于人体内有40%的逆转录病毒序列这个问题，同学们体现出了自己的思考，如：人体自主将病毒的基因组整合入自身基因组或者是病毒本身就是由这部分基因脱离人体后，发生基因突变所产生的。关于时空组学影响人们生活这个问题，同学们提出在时空组学的精度提高后，可以通过时空组学分析，将人体数字化或传到云端，进而达到某种程度的永生。或是在合成生物学的成本降低后，可以只携带人体信息前往其他星球并进行重塑，从而达成空间上的快速转移。

撰稿人：吴叩天、王麒博、周佚星

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