生命科学/国产生命相机 绘鼠胚胎时空图谱

  5月5日,时空组学联盟启动暨首期专辑成果发布会在深圳国家基因库举行。图为研究成果发布仪式。\大公报记者郭若溪摄

  5月5日,时空组学联盟启动暨首期专辑成果发布会在深圳国家基因库举行,华大研究院联合多家机构在Cell出版社官网以时空组学联盟专题的形式发布了全球首批生命时空图谱绘制。研究人员利用堪称「超广角百亿像素生命照相机」的时空组学技术(简称Stereo-seq技术),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,为认知器官结构、检测基因缺陷等提供全新方向。\大公报记者 郭若溪深圳报道

  科学的发展离不开工具的进步。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,Stereo-seq技术具有亚细胞分辨率与厘米级视场,堪称「超广角百亿像素生命照相机」,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。「如果把拥有37万亿细胞的人体比作地球,以前的显微镜、DNA测序技术或许能了解地球上有哪些生物,而Stereo-seq技术能看到每个生物分布在哪个国家,哪个地区,哪个城市,还能看到他们在做什么,怎么和其他物种交流,甚至,能看到过去和未来。」

  一次定位取代上万次实验

  陈奥表示,Stereo-seq技术的研发耗时近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。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。」

  以小鼠为例,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,得到的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。

  有助培育高产优质农作物

  举个例子,Robinow综合症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综合症患者出现唇颚裂、肢体短小等表现。

  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。

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