去年5月，由华大等机构领衔，全球多位科学家共同参与的时空组学联盟（STOC）正式宣布成立。首期成果实现了全球首批生命时空图谱的绘制，并以专题形式发布于Cell出版社官网。

时空组学联盟可类比上世纪三大科学工程之一的人类基因组计划，当时人类基因组计划也是一个联盟，有六个国家的科学家参与其中，而今日的时空组学联盟已有来自30个国家的逾260位顶尖科学家加入，跨越生物、数理化、工程、计算机等多个学科。

自联盟成立以来，华大联合多方对器官再生、胚胎发育、脑科学、癌症等多个领域进行了相关研究。成果发表于Cell、Nature和Science等期刊，实现CNS大满贯。

在时空组学联盟成立的一周年之际，快来和小编一起看看时空组学技术都被用于哪些领域，并产出了哪些具体的研究成果吧~

理解生命结构

理解生命是如何构成的，对我们了解生命有重要意义。以大脑为例，目前，我们正面临严峻的脑疾病问题，比如幼年期的自闭症、中年期的抑郁症、老年的退行性疾病（如阿尔茨海默症、帕金森病等），这些疾病已经造成了严重的社会负担。

时空组学联盟的核心成员，知名神经生物学家蒲慕明院士认为，要真正理解大脑的复杂性，首先要把结构搞清楚。相较于其他组学技术，时空组学解决了细胞在组织内的空间分布及其随时间变化的问题，这对于推进脑科学、脑疾病的相关研究是一个重大进展。

除了脑科学的相关研究，时空组学也被应用于认知不同物种的生命结构。联盟成立初始，华大就联合南方科技大学等单位，构建了模式生物果蝇的晚期胚胎和幼虫的3D时空发育图谱，鉴定了发育中果蝇中肠的空间亚区，解析了幼虫精巢细胞命运的转变。其作为联盟的首批成果之一发表于Developmental Cell。

探索个体发育

人体中有37万亿个细胞，是银河系中恒星数量的100倍。然而，过去我们对于这些细胞如何组成一个复杂的生命体却知之甚少。时空组学技术如同一台同时兼具超广角和百亿像素的“生命照相机”，能够完整“拍到”组织里每个细胞的基因信息和空间位置，其被联盟成员们广泛应用于胚胎发育、器官再生等过程的观察。

利用时空组学技术，科学家记录了小鼠如何在母亲体内一步步发育出了复杂的器官，成果将为哺乳动物发育研究提供重要的数据参考，推动我们更好地认识胚胎成长和器官发生，也为出生缺陷相关研究提供指导。2022年5月，小鼠胚胎发育时空图谱相关成果以封面文章形式发表于Cell。

除了研究小鼠胚胎发育，时空组学联盟还探索了蝾螈大脑的再生过程，以期未来助力人类再生医学的发展。

在这个研究中，科学家首先对蝾螈大脑是如何发育来的进行了探索，通过时空组学技术，科学家“拍摄”了蝾螈脑发育6个重要时期的时空图谱。紧接着，团队对蝾螈脑的皮层区域进行机械损伤手术，并在损伤后的第2、5、10、15、20、30及60天记录了蝾螈大脑从损伤到再生完成的过程。通过对比两个阶段，科学家发现神经元的形成过程在蝾螈脑发育和再生中是高度相似的，或许脑损伤诱导了蝾螈神经干细胞逆向转化，回到发育时期的年轻化状态，以启动再生过程。

2022年9月，蝾螈脑再生时空图谱以背靠背封面文章的形式发表于Science。

此外，华大还联合华中农业大学等团队对受精后3.3h、5.25h、10h、12h、18h、24h的斑马鱼胚胎进行了研究，首次绘制了斑马鱼胚胎早期发育的时空转录组图谱，构建了其在组织空间维度上的发育轨迹。成果于2022年5月发表于Developmental Cell。

助力疾病诊断&治疗

癌症是全球致病和致死最主要原因之一。据世界卫生组织国际癌症研究署（IARC）2021年发布的数据显示，预计2040年，全球癌症负担将比2020年增加50%，新增癌症病例将达到近3000万。

目前，癌症确诊的方法主要是通过影像学检查结合病理诊断，然而这些方式仍然缺乏对早期癌前病变进展预测的理论基础，以及面临检测后如何形成有效的解决方案等问题。时空组学技术的出现，能够帮助科学家更好地理解肿瘤进展的规律，找到影响这些节点的关键细胞类型、特征和调节方式，从而为癌症的诊断、监测及治疗指导提供理论基础和方向。目前，时空组学联盟成员已经对皮肤癌、肝癌、直肠癌等多种高发癌症进行了相关探索。

黑色素瘤因其高度异质性和可变性，一直以来是全球癌症研究和公共卫生的重要挑战。时空组学联盟成员——比利时鲁汶VIB癌症生物学中心Chris Marine教授带领团队利用包括时空组学等在内的联合分析方法，在黑色素瘤中鉴定出一群数量有限但能有效支持肿瘤生长的致瘤细胞群，这将为开发黑色素瘤的早期检测以及制定治疗措施提供帮助。这项研究成果于2022年9月发表于Nature。

除了黑色素瘤，时空组学联盟成员——哈里·珀金斯医学研究所Ankur Sharma博士正带领团队使用时空组学等技术对肝癌进行相关研究。

人类肝脏是一个极其复杂的器官，拥有超过2000亿个细胞，了解这些细胞以及它们之间的相互作用，将有助于科学家进一步了解癌组织是如何形成的。

时空组学技术可以同时检测25000多个基因，并以前所未有的精度向科学家们全面地展示基因所发生的变化。这将让科学家能够通过基因表达、细胞类型和细胞微环境对癌症进行准确分类，定义每种癌症的亚型，进而实现精准检测。

此外，联盟成员也正通过时空组学技术对结直肠癌（肠道恶性肿瘤）进行观测。科学家们发现，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，且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，抗原呈递分子、免疫趋化因子得到了高表达。

未来，随着技术的进一步发展，时空组学非常有潜力能够进行肠道微生态的直接捕获，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等难题。

揭开生命演化奥秘

从古到今，关于物种的起源与演化，人们提出过种种猜想。今天，通过时空组学技术，我们有机会回答与生命演化有关的基础科学问题。

华大等在自主研发的时空组学技术的基础上，针对植物样本具有细胞壁这一特性，建立了一套适用于植物的、单细胞化的空间转录组技术，并将其应用于模式植物拟南芥的叶片研究中。研究首次绘制了植物单细胞水平的空间转录组图谱，并对上、下表皮细胞、栅栏细胞、海绵细胞的转录组特征进行了详细解析，攻克了长期以来研究人员无法对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。成果于2022年5月发表于Developmental Cell。

以上仅仅是时空组学联盟成立1年内在器官、发育、疾病、演化四个方向的部分成果。未来，时空组学联盟将进一步发挥多学科、多领域的优势，促进成员间的相互交流、数据共享。通过大科学工程的全球性合作，华大将和全世界的研究者，一起推动人类终极问题的回答。