科技日报记者 张佳星
8月22日，《细胞》创刊50周年技术专刊邀请华大生命科学研究院发表长篇综述文章，系统阐述时空组学的技术发展和挑战，以及时空组学如何帮助人类更好地理解基因组、推动生物学认知和医学变革。
人类基因组计划在20多年前破译了人类基因组序列，也让基因组学更加成熟，但遗传因子在疾病发生或调控生命活动时的机制仍非常复杂，基因组学难以回答所有生命的问题。
文章中提到，人类基因组计划的完成为理解人类生命提供了基础蓝图。尽管如此，科学领域仍尝试在时间和空间维度上继续破译生命发生发展过程中的详尽机制，如器官功能、胚胎发生、物种进化和疾病发病等生命事件中的机制。时空组学技术的出现，提升了我们对基因表达和调控的理解，使人们能够从时间和空间的维度更高精度、更深入地了解生物过程。
那么，时空组学破译了哪些“生命密码”？又催生了哪些生命科学的“新应用”呢？
实现空间定位，进一步破译生命谜团
破译基因让人们了解人类基因组由30亿个碱基对组成，不同的基因序列能够承担不同的生命功能。但这些碱基如何转化为一个完整的生命，至今仍是谜题。
“例如，一个受精卵包含完整的基因组信息，最终如何发育成为复杂的个体，又为何衰老。”文章通讯作者、华大生命科学研究院院长徐讯表示，与疾病相关的问题也有许多未知之处，如疾病相关的遗传变异与我们的组织器官有什么关系？
文章指出，细胞组学的快速发展为分析组织内细胞的异质性提供了工具。然而，细胞组学缺乏位置信息，难以辨识细胞在组织中的具体位置及相互作用的空间动态。
“时空组学技术的发展，使我们能够全面解析细胞组成、定位、细胞间相互作用和细胞微环境的时空动态。”徐讯表示，如荧光原位杂交（FISH）和原位测序（ISS），使得科学家能够在细胞内直接观察到RNA和DNA的分布。时空转录组学技术如MERFISH和seqFISH，可以在单个细胞中同时检测到成千上万个基因的表达。
时空组学技术与其他组学技术结合能够提供更为全面的生物学信息。多组学整合在理解基因表达空间分布的同时，还能揭示基因在细胞内的相互作用和调控。此外，在时间分辨率方面，目前的时空研究需连续采样，为细胞分化和发育的精确追踪提供可能。
文章也表示，时空组学技术仍面临挑战，未来的技术发展应朝着更高的空间精度、多维度分析、更好的可及性方向努力。
推动大科学计划，揭秘神经、肿瘤等未知领域
“时空组学为我们打开了探索生命奥秘的全新窗口。它就像一个强大的‘生命GPS系统’，能精确定位和追踪每个细胞在时间和空间上的变化，为我们揭示生命运作的时空动态背后的机制。”徐讯解释。
文章提出，时空组学在生物学和医学研究的四大方向中展现了巨大的潜力。四大方向包括器官结构和功能解析；寻找发育和再生过程的密钥；生命演化时空规律的探索；人类疾病发生发展原因的解析。
在临床方面，时空组学还将推动临床病理的变革，特别体现在高异质性疾病的分型、个性化治疗和预后的方案制定方面。对于未分化肿瘤和原发灶不明的癌症，与过去单一标记检测方法相比，时空组学分析方法提供了更高的诊断敏感性和准确性。
对人类生命的解析需要全球科学家的合作，为推动时空组学大科学计划，时空组学联盟专注于理解时空动态中的生物学问题，旨在通过大规模的空间多组学分析，在器官图谱、发育与衰老、人类疾病和生命演化四大方向上加速对器官功能、发育、衰老和演化的生物学过程的理解。
（图片由研究团队提供）
