应用领域篇 | 文章大爆发！Stereo-seq助力80余篇高水平科研成果发表

2024.09.26 内容来源：华大

华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，自问世以来便以其超高分辨率和超大视野震撼了生物科研圈。这项技术不仅被Nature与Nature Methods评为年度技术之一，更在生命科学多个领域展现出巨大潜力，成为科研人员探索生命奥秘的有力工具。

华大时空组学技术Stereo-seq已成功应用于器官发生、胚胎发育、生命演化、脑科学、肿瘤学、植物科学等多个领域，证明了其普适性。未来，时空组学技术有望应用于生命科学与临床研究的各个领域。截至2024年8月，Stereo-seq已助力科研人员在包括Cell、Nature、Science等在内的国际知名学术期刊上发表80余篇科研成果。

目前，Stereo-seq技术已研发了针对人、鼠的多个部位组织器官的检测方法，包括人脑、甲状腺癌、鼻咽癌、淋巴结、肺癌、脂肪肝、结肠癌、宫颈癌等组织，小鼠全脑、迷走神经复合体、脑前额叶、肝脏、肾脏、心脏、结肠、睾丸、卵巢、足垫等组织，以及其他动物和植物如果蝇、斑马鱼、蝾螈、拟南芥、大豆、水稻、洋葱、花生、玉米等物种的检测。

应用领域——发育研究

生命发育是多种细胞类型在多维空间中相互作用的动态过程，在空间维度解析细胞类型及其相互作用是发育研究的基础。时空组学技术能够在分子水平绘制发育过程中各种细胞类型复杂的相互作用，以前所未有的精度和复杂度促进发育领域研究进展。

经典案例：Cell专题 | Stereo-seq构建首批生命全景图谱，时空组学联盟首期成果开启生命研究新领域

2022年5月4日，华大生命科学研究院联合多家机构，在Cell出版社官网以时空组学联盟（STOC）专题的形式，发布了全球首批生命时空图谱。研究人员利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，首次绘制了小鼠^[1]、斑马鱼^[2]、果蝇^[3]、拟南芥^[4]四种模式生物胚胎发育或器官的时空图谱。其中，小鼠胚胎发育时空图谱成果荣登Cell当期封面，斑马鱼、果蝇、拟南芥时空图谱同时作为Developmental Cell的封面故事。这是首次从时间和空间维度，对生命发育过程中基因和细胞的变化进行超高精度的解析，为认知器官结构、生命发育、人类疾病和物种演化提供全新方向。以上成果甫一发布，就被央视新闻、人民日报、新华社、GenomeWeb等海内外媒体相继报道，引发广泛关注。

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应用领域——器官研究

鉴定细胞类型及其空间结构是研究器官发生及其功能的重要基础。时空组学技术能够在单细胞水平绘制器官的空间结构，解析构成器官的细胞类型、转录组特征及其空间联系，为器官生理功能的研究带来深刻的变革。

经典案例：Cell | Stereo-seq助力构建成年猕猴全脑皮层单细胞分辨率空间图谱，揭示细胞组织模式

2023年7月12日，华大生命科学研究院联合中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）等单位，基于Stereo-seq与高通量单细胞核转录组测序技术发布了迄今最完整的灵长类脑细胞图谱，定义了目前最全面的灵长类大脑皮层细胞类型及其分子特征，同时定位了不同细胞类型的空间分布。该研究成果在线发表于国际顶级学术期刊Cell。作为目前最完整的灵长类脑细胞“说明书”，该研究可以为人脑功能、脑疾病、脑机接口等脑科学领域的基础认知提供参考，将大幅加快脑科学研究进程^[5]。

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应用领域——演化研究

新的组织类型如何出现，器官的复杂度如何逐渐增加等是物种演化研究的重要内容。利用时空组学技术绘制进化过程中不同物种的相同器官结构和发育图谱，能够深入理解器官在细胞与分子水平的进化机制，为新的组织及其功能的研究提供基础。

经典案例：Science Advances | Stereo-seq和单细胞测序助力构建空间单细胞图谱揭示脊椎动物咽部器官演化起源

2024年3月29日，中国海洋大学海洋生物进化与发育研究中心联合青岛华大生命科学研究院使用Stereo-seq和单细胞RNA测序技术，成功构建了海鞘内柱的单细胞空间图谱，揭示了其细胞组成。主要发现包括：确定了与血液和淋巴系统起源相关的细胞群，以及在内柱中发现了一群与脊椎动物听觉系统毛细胞具有转录组相似性的细胞类型。这些发现为理解基础脊索动物咽部的发育和咽部器官的进化起源提供了新的视角和线索^[6]。

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应用领域——疾病研究

细胞异质性及其空间结构对疾病的发生发展和治疗至关重要。肿瘤细胞的异质性和微环境对肿瘤的机理研究、预防和治疗极其关键。时空组学技术能够以单细胞分辨率绘制肿瘤细胞的异质性及微环境图谱，为肿瘤研究带来重大突破。时空组学技术同样能够作为其他复杂疾病深入研究的强有力工具。

经典案例：Nature | Stereo-seq助力解析黑色素瘤层次结构生长与转移

2022年9月21日，比利时鲁汶VIB癌症生物学中心研究团队，利用包括Stereo-seq在内的空间转录组测序与scRNA-seq等方法，绘制了小鼠黑色素瘤的单细胞空间图谱，建立了黑色素瘤生长的细胞层次模型，确认其生长受到特定致瘤细胞群的影响，致瘤能力与血管周围生态环境有关。这一研究成果发表于国际顶级期刊Nature，为今后干扰癌细胞重编程研究提供了更深入的微环境探索参考^[7]。

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经典案例：Cell Research封面 | Stereo-seq助力描绘肝癌侵袭前沿区免疫抑制微环境特征

2023年6月19日，华大生命科学研究院等团队基于Stereo-seq结合单细胞建库平台DNBelab C4，首次解析了肿瘤细胞侵袭正常肝细胞过程中交界线周围区域的细胞组成、分子特征及交互作用，精确定义了以肿瘤边界为中心500μm宽的区域为肿瘤“侵袭前沿区”，在肿瘤侵袭与进展中发挥关键作用。该研究成果以封面形式发表于国际学术期刊Cell Research，为开发肝癌治疗新策略提供新见解^[8]。

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应用领域——再生医学

在再生医学领域，Stereo-seq技术不仅帮助我们更深入地理解了生物体在损伤后的修复与再生机制，还促进了针对退行性疾病和损伤修复的新型治疗策略的开发。通过该技术，科学家们能够绘制出高分辨率的时空转录组图谱，解析细胞在再生过程中的基因表达变化和空间动态分布，从而揭示关键的分子调控机制和细胞亚型在再生中的功能。

经典案例：Science封面 | 华大构建全球首个脑再生单细胞时空图谱

2022年9月2日，华大生命科学研究院联合多家机构绘制了首个蝾螈端脑发育与再生的单细胞时空转录组图谱，鉴定了蝾螈端脑再生过程中的重要神经干细胞亚型，并比较了其状态与发育时期神经干细胞的相似性，这也是全球首个脑再生时空图谱。该成果以背靠背封面文章的形式发表于国际顶级学术期刊Science，为认知脑结构和发育提供助力，为神经系统的再生医学研究和治疗提供新的方向^[9]。

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经典案例：Nature Genetics | Stereo-seq助力解析小鼠胆汁淤积损伤与再生机制

2024年4月16日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心与杭州华大生命科学研究院合作，利用Stereo-seq技术绘制了小鼠胆汁淤积损伤与再生的时空转录组图谱，揭示了损伤响应和微环境信号的动态变化，强调了胆管信号的核心作用，并发现Atoh8调控肝细胞增殖，促进损伤向修复转换。该研究为肝损伤理解和治疗提供了新视角和潜在策略^[10]。

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应用领域——植物科学

时空组学技术在植物研究中不仅可以精准识别多种细胞类型，重构细胞命运的复杂谱系，并且能深入揭示细胞之间错综复杂的互作机制。近年来的成果极大地加速了研究人员对植物科学核心领域的理解进程。以下集中介绍几项以Stereo-seq技术为核心亮点的植物空间组学研究成果，展现其在推动植物科学前沿研究领域的潜力与贡献。

经典案例：Nature Genetics | Stereo-seq助力首次绘制洋葱鳞茎组织不同发育阶段时空图谱

2023年11月6日，西北工业大学研究团队联合华大生命科学研究院，利用Stereo-seq技术成功绘制洋葱鳞茎组织在不同发育阶段的时空图谱。这项研究完成了威尔士洋葱、大蒜和普通洋葱的高质量基因组组装，并揭示了这些葱属作物基因组的大规模和高质量特征。通过深入分析，发现编码风味化合物关键酶基因可能与古老植物防御机制相关，并在葱属中显著强化。同时利用Stereo-seq技术，精确定位了洋葱鳞茎形成过程中的细胞类型及其基因表达变化，为葱属作物的遗传改良和育种提供了重要的分子基础和策略指导^[11]。

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经典案例：Nature Plants | Stereo-seq助力构建玉米雌穗空间转录组图谱

华中农业大学与深圳华大生命科学研究院合作，利用Stereo-seq技术绘制了玉米雌穗的空间转录组图谱，深入探索了花序发育的分子机制。研究克服了细胞层面解析花序发育的难题，实现了高精度细胞类型的分辨，鉴定了12种细胞类型，包括4种新定义的细胞类型。通过聚类分析，识别了分生组织亚型，验证了关键基因在干细胞命运调控中的作用。结合单细胞测序数据，构建了空间特异性基因的调控网络，为作物遗传改良提供了新视角和分子基础^[12]。

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参考文献

[1] Chen A, Liao S, Cheng M, et al. Spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse organogenesis using DNA nanoball-patterned arrays. Cell. 2022;185(10):1777-1792.e21. doi:10.1016/j.cell.2022.04.003

[2] Liu C, Li R, Li Y, et al. Spatiotemporal mapping of gene expression landscapes and developmental trajectories during zebrafish embryogenesis. Dev Cell. 2022;57(10):1284-1298.e5. doi:10.1016/j.devcel.2022.04.009

[3] Wang M, Hu Q, Lv T, et al. High-resolution 3D spatiotemporal transcriptomic maps of developing Drosophila embryos and larvae. Dev Cell. 2022;57(10):1271-1283.e4. doi:10.1016/j.devcel.2022.04.006

[4] Xia K, Sun HX, Li J, et al. The single-cell stereo-seq reveals region-specific cell subtypes and transcriptome profiling in Arabidopsis leaves. Dev Cell. 2022;57(10):1299-1310.e4. doi:10.1016/j.devcel.2022.04.011

[5] Chen A, Sun Y, Lei Y, et al. Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in the macaque cortex. Cell. 2023;186(17):3726-3743.e24. doi:10.1016/j.cell.2023.06.009

[6] Jiang A, Han K, Wei J, et al. Spatially resolved single-cell atlas of ascidian endostyle provides insight into the origin of vertebrate pharyngeal organs. Sci Adv. 2024;10(13):eadi9035. doi:10.1126/sciadv.adi9035

[7] Karras P, Bordeu I, Pozniak J, et al. A cellular hierarchy in melanoma uncouples growth and metastasis. Nature. 2022;610(7930):190-198. doi:10.1038/s41586-022-05242-7

[8] Wu L, Yan J, Bai Y, et al. An invasive zone in human liver cancer identified by Stereo-seq promotes hepatocyte-tumor cell crosstalk, local immunosuppression and tumor progression. Cell Res. 2023;33(8):585-603. doi:10.1038/s41422-023-00831-1

[9] Wei X, Fu S, Li H, et al. Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration. Science. 2022;377(6610):eabp9444. doi:10.1126/science.abp9444

[10] Wu B, Shentu X, Nan H, et al. A spatiotemporal atlas of cholestatic injury and repair in mice. Nat Genet. 2024;56(5):938-952. doi:10.1038/s41588-024-01687-w

[11] Hao F, Liu X, Zhou B, et al. Chromosome-level genomes of three key Allium crops and their trait evolution. Nat Genet. 2023;55(11):1976-1986. doi:10.1038/s41588-023-01546-0

[12] Wang Y, Luo Y, Guo X, et al. A spatial transcriptome map of the developing maize ear. Nat Plants. 2024;10(5):815-827. doi:10.1038/s41477-024-01683-2

内容 | 赵芳、赵俊龙

审核 | 康芮、黎晓玲

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