华中农业大学曹罡教授—各有所长！空间组学的三大流派

目前，在空间组学领域有众多相关技术，如10X Visium、MERFISH、FISSEQ、樊荣团队的DBiT-seq，以及今年的stereo-seq等，技术的推陈出新不断促进着空间组学的发展。那么，这些众多的技术又可以分为哪几类？除了空间组学，在时间维度上的现有研究进展又如何？

近日，《时空对话》栏目有幸邀请华中农业大学曹罡教授进行访谈，分析他对空间组学的深刻见解。

曹罡，华中农业大学，农业微生物学国家重点实验室教授，中组部“万人计划”领军人才，科技部中青年创新人才获得者。长期从事新兴生物技术开发，尤其是单细胞空间组学（原位测序），单细胞三维基因组学新技术的开发及其在神经免疫与感染交叉学科和肿瘤等疾病检测中的运用。近五年来在Nature Genetics、Neuron、 Science Advance、Molecular Neurode generation、Nucleic Acids Res、JACC、Nature Communication、Science Bulletin等一流刊物发表论文24篇，获批专利多项。主持参与十三五重大研发计划，基金委重点项目、联合基金重点项目，面上项目多项。获中华医学科技二等奖。同时也是鲲羽生物的联合创始人。

请问您团队目前的研究方向是什么？取得了哪些成果或进展？

曹罡教授：团队长期从事新兴单细胞组学技术开发及其在“神经-免疫-感染”系统生物学中的运用研究。具体为：

（1）新兴单细胞组学技术：原位空间单细胞测序技术、单细胞表观组学（尤其是三维基因组学）、整合神经环路的单细胞分辨率连接组学及互作组学等多组学新技术开发及其在临床诊断中的运用。

（2）“神经-免疫-感染”系统生物学：探索神经系统感知病原感染（如结核杆菌）与炎症反应、调节免疫系统平衡抗病原免疫应答的分子机制，特别是精神压力情况下免疫失调与病原易感的分子基础及其药物干预靶点。

今年2月份，您的课题组揭示了神经系统精调免疫应答新机制，相关论文发表在《Neuron》上，请您简单地介绍一下该机制，这个研究在疾病治疗或医疗方面具有什么样的积极意义和应用前景？

曹罡教授：在生物机体中，不同类型的细胞或器官能够进行沟通交流，从而协力完成各种复杂的生理机制。近年来，神经系统与免疫系统的“交流”备受关注，它们之间的互作成为了深入研究生理与病理状态下免疫系统调节机理的重要切入点，特定神经系统的免疫调节功能极有可能为多种免疫疾病的治疗提供新的治疗思路。但有关神经系统与免疫系统的“交流”之间却仍存尚多疑问，这无疑限制了研究人员对神经免疫调控机制的理解，又阻碍了相关疾病（如炎症风暴、自身免疫疾病）的治疗策略的开发和应用。

本研究发现神经来源的NPY/F是神经系统和免疫系统“交流”的一种古老语言，从果蝇、小鼠、大鼠到人都是保守的，神经系统能够感知病原感染，大量上调SrG-CG的NPY表达，从而发挥免疫应答的精细调控作用。NPY/F可能用于缓解感染期间引起的炎症风暴和调节自身免疫疾病中的免疫平衡，并对自身免疫疾病的新药物靶点和短肽药物开发提供新思路。

研究基因组的三维结构一直是您技术开发的重心，请您介绍一下空间基因组学技术的重要意义，以及您实验室在这方面做出的工作？

曹罡教授：空间基因组技术是先前开发重心，之后可能会逐渐会往空间多组学技术开发、神经免疫系统生物学以及精准诊断方面的运用投入更多精力。对于三维基因组学技术的开发，2018年我们在《Nature Genetics》 上发表了论文，介绍了一种新染色体构象捕获技术DLO Hi-C，它的优势在于简单、高效、低成本。与传统Hi-C技术相比，DLO Hi-C在相同测序深度下提高了10.0%的数据利用率，并降低了35.7%的背景噪音，65.4%的文库构建成本，以及43.0%的高通量测序成本，对三维基因组学、基因转录调控、基因组组装、基因组结构变异检测等领域的发展有重要的推动作用。

基于DLO Hi-C技术，在2021年，我们在《Science Advances》发表了论文，为病毒和宿主基因组之间的互作提供了新的见解。大多数真核DNA病毒能够将其基因组运输到细胞核中，但入核后它是如何与宿主基因组进行互作的，又是如何劫持宿主转录工厂的，仍未能有清晰的认知。本研究就发现，PRV（伪狂犬病病毒）利用宿主DNA结合蛋白RUNX1将其基因组介导到开放染色质和活性转录区，促进病毒劫持宿主转录机制（如RNAPII），最终及时有效地转录病毒基因。

目前我们开发了一种高效单细胞三维基因组学技术，在三维基因空间组学解释基因组构象的有序性和无序性，同时还在开发一个低成本的一次性同时检测基因组倒位异位/SNP/INDEL/CNV检测技术，可以用于对精神疾病、不孕不育疾病等罕见遗传病的遗传变异进行低成本、全方位的检测。

在您看来，空间组学技术能够分为哪几个板块？

曹罡教授：空间组学有三个流派，分别是基于捕获和NGS的、基于序列原位杂交的以及基于原位测序的。这三个流派各有其优缺点。大家可以根据自己的科学问题来选择适合自己的技术，不一定要追求最热门的技术，而是能解决自己问题的技术。

一．基于捕获和NGS

该流派的代表技术有10X Visium、DBiT-seq、Slide-seq、Seq-Scope以及Stereo-seq。

基于捕获和NGS的优势在于该技术能够全转录组捕获，且兼容高通量测序，樊荣团队的DBiT-seq还可扩展至表观组。

其缺陷在于没有单细胞分辨率、批间差异大、捕获效率低下等。比如，在两万个基因中，单细胞测序可以测两千个，有接近十分之一的效率，而基于捕获和NGS的效率要远低于单细胞测序，不过樊荣团队的DBiT-seq除外。

二．基于序列原位杂交

该流派的代表技术有MERFISH、seqFISH+。

基于序列原位杂交的优势在于拥有极高的细胞分辨率和高灵敏度，不过价格也十分昂贵，对设备要求高，且无法检测SNP，即对于有关基因突变的是无法检测的。

三．基于原位测序

该流派的代表技术有ISS、FISSEQ、STARmap、EXseq、Mip-seq。

基于原位测序的技术兼容了前两个流派的一些特点，优势在于拥有高细胞分辨率、高灵敏度、可检测突变，以及拥有靶向组和全转录组双模式。不过，相比于序列原位杂交，基于原位测序的分辨率和灵敏度都要比其略低一些，且基于原位测序的技术虽然能够检测基因突变，但却只能测量较短的突变，如点突变。同时，在全转录组捕获模式下，效率也比较低下。

如今，在时间维度上的测序技术进展如何？

曹罡教授：实际上，如今并没有人开发出具有真正意义拥有精准时间维度上的测序技术，无法精准测量基因表达的先后顺序。时空维度的测序技术能够将不同时间基因表达联系起来。我们现在也不断地在深入研究，争取一到两年内，开发出一个拥有同时检测时间和空间维度的基因测序技术。

您如何看待空间组学？目前有哪些正在进行的研究？

曹罡教授：我们从2013年开始空间组学研究，可惜的是，由于经费问题停了两年。目前在空间组学方面我们有两篇论文正在返修中，一篇有关空间多组学，另一篇有关中低通量FISH检测。

空间组学的价值在于，由于单细胞测序会丢失其空间信息，在科研和临床检测中都有着局限性，而空间组学能够弥补这一缺陷。空间组学主要分为三个流派，每一个流派都有其优缺点。在前面也详细介绍了相关内容。

您如何看待单细胞测序？与空间组学有哪些联系？

曹罡教授：单细胞测序如今已经比较成熟，有许多人都参与其中。目前单细胞测序主要集中在单细胞转录组，其他组学暂时相对比较少人研究。不过，在未来，单细胞蛋白组、表观组也会进一步地发展。

单细胞测序和空间组学是可以共存的。目前的空间组学的效率其实并不高，而单细胞可测的基因比空间组学要多上许多，也能够弥补效率低的缺陷。因此，两者进行结合才能发展的更快更好。就目前技术而言，个人认为单细胞测序整合中通量基因原位检测技术是获取高精细单细胞空间图谱的最优方案。

单细胞和空间组学在现代生物学研究的重要前沿手段，但许多媒体存在过度夸大宣传的现象。曹罡教授说，我们国家近年来的生物学研究取得了非常大的进步，也发了很多的好论文，但是真正原创性的技术发明，特别是能推动生物医学产业的原始创新技术还少之又少。我们的媒体报道、广告宣传应该实事求是、客观地进行宣传。我们也希望国内学术环境能逐步变好，能出现越来越多的原创技术的发明和重大理论的发现。对此，单细胞测序网也呼吁，广大媒体应该客观公正地去报道单细胞测序、空间组学等内容。