“人類基因組早被測(cè)序，但其功能至今深藏不露，這嚴(yán)重妨礙了疾病診治。”上?？萍即髮W(xué)生命學(xué)院教授池天說(shuō)，“21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)的重要任務(wù)就是解碼人類基因組這部‘神秘天書’?！?/p>

7月22日，池天團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》在線發(fā)表論文，報(bào)道了一種嶄新的小鼠基因打靶技術(shù)iMAP，并快速鑒定了90個(gè)基因在39種組織的基本功能，構(gòu)建了世界首張小鼠微型“擾動(dòng)圖譜”。該基因解碼技術(shù)為破解人類基因組密碼提供了強(qiáng)大武器。

?iMAP原理 受訪者供圖

革命性的iMAP

“iMAP融合了Cre-loxP和CRISPR-Cas9技術(shù)?！背靥旖榻B說(shuō)，“通過(guò)藥物誘導(dǎo)，能在小鼠全身敲除100個(gè)基因，但每個(gè)細(xì)胞只能隨機(jī)敲除一個(gè)，從而將小鼠轉(zhuǎn)化為嵌合體動(dòng)物（mosaic organism）?！?/p>

野生型動(dòng)物各細(xì)胞基因組相同，嵌合體則由攜帶不同基因組的細(xì)胞構(gòu)成。iMAP嵌合體可用于快速普查100個(gè)靶基因分別在全身各種細(xì)胞中的基本功能，同時(shí)也能通過(guò)簡(jiǎn)單的交配繁殖衍生出100個(gè)傳統(tǒng)的單基因敲除品系，從而大大降低后者的制備成本。

作為概念驗(yàn)證，池天團(tuán)隊(duì)檢查了90個(gè)基因敲除后分別對(duì)39種器官/組織/細(xì)胞的存活、擴(kuò)增或細(xì)胞分化的影響，描繪了全球第一張“擾動(dòng)圖譜”。雖然這張圖譜只是全基因組圖譜的雛形，但已提供了大量難以用其他技術(shù)輕易獲得的寶貴信息，更為描繪全基因組圖譜奠定了基礎(chǔ)。

目前，單細(xì)胞生物學(xué)的領(lǐng)軍人物Aviv Regev已與池天醞釀發(fā)起“單細(xì)胞擾動(dòng)圖譜計(jì)劃”，準(zhǔn)備在全球范圍內(nèi)聯(lián)合多個(gè)實(shí)驗(yàn)室，利用iMAP在單細(xì)胞水平描繪小鼠全部2萬(wàn)個(gè)蛋白編碼基因在全身各組織的擾動(dòng)圖譜。

“這一圖譜將成為生物醫(yī)學(xué)研究史上的一個(gè)重要里程碑——此后，探索小鼠任何基因的基本功能會(huì)像查找基因序列一樣簡(jiǎn)單，而不再動(dòng)輒需花費(fèi)多年心血?！背靥煺f(shuō)。

該圖譜將成為生物醫(yī)學(xué)研究的分水嶺，除了鑒定蛋白編碼基因的功能，iMAP也可用于解碼基因組任何其他序列、探索“老藥新用”和篩選藥物靶點(diǎn)等。iMAP也有推廣到其他模式生物的可能性；有水稻專家已經(jīng)計(jì)劃利用iMAP改良水稻品種。耶魯大學(xué)一位國(guó)際著名免疫學(xué)家給池天團(tuán)隊(duì)的賀信中預(yù)言，“iMAP將變革眾多領(lǐng)域”。

八年科學(xué)“馬拉松”

iMAP功能強(qiáng)大，但其誕生的背后卻是一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)八年、歷經(jīng)六屆學(xué)生前赴后繼努力的科學(xué)“馬拉松”。

2014年，池天還在耶魯大學(xué)，當(dāng)時(shí)CRISPR基因編輯技術(shù)已問(wèn)世，而池天又熟悉Cre-loxP。他突發(fā)奇想，試圖融合這兩種技術(shù)，但同事并不看好?！坝腥瞬恍家活?，有人直呼瘋狂，大多心存疑慮。”池天回憶，“這也不奇怪，因?yàn)閕MAP太新了，是0到1，沒(méi)有主流技術(shù)可以直接對(duì)標(biāo)。就如同當(dāng)年P(guān)CR概念萌芽后，甚至初步結(jié)果出來(lái)后，仍然在Cetus公司內(nèi)部遭到冷遇，這好像不可思議，其實(shí)不難理解。”

iMAP的研發(fā)過(guò)程充滿了艱辛和曲折?！拔覀儾攘撕芏嗫樱行┛雍茉幃?。”為使同行避免重蹈覆轍，這些失敗的實(shí)驗(yàn)，部分已于兩年前以預(yù)印本形式發(fā)表。經(jīng)Ravinder Kaundal （耶魯大學(xué)博士后）和陳玉鑫、毛少帥、劉波（分別是上科大生命學(xué)院2014、2015、2016級(jí)研究生）等的努力，到2018級(jí)博士生荊征宇加入課題組時(shí)，終于曙光初照，但道路依然坎坷?！拔覀兊难芯抗ぷ骱苌儆锌梢詤⒖嫉奈墨I(xiàn)，研究期間我們遇到了各種困難，好在最后成功了?！鼻G征宇回憶。

今年畢業(yè)、帶領(lǐng)過(guò)荊征宇和2019級(jí)博士生張校銘攻關(guān)的2016級(jí)博士生劉波表示，“項(xiàng)目的成功離不開池老師統(tǒng)攬全局、精心計(jì)劃，也離不開實(shí)驗(yàn)室成員們的團(tuán)結(jié)一心、努力工作?！背藢W(xué)生非常給力，學(xué)校的大力支持也讓池天的研究如魚得水。

“我在耶魯啟動(dòng)過(guò)其他數(shù)個(gè)像iMAP一樣的高風(fēng)險(xiǎn)課題，但都因經(jīng)費(fèi)原因夭折了。而上科大鼓勵(lì)教授勇于坐冷板凳，諾獎(jiǎng)得主James Rothman也表示上科大適合我。”池天補(bǔ)充說(shuō)，“所以叮囑學(xué)生，課題必須做到底，論文非頂刊不發(fā)?！?/p>

iMAP研發(fā)過(guò)程是“山高路遠(yuǎn)坑深”，但審稿過(guò)程相當(dāng)順利。今年2月15日投稿，3月10日得到反饋，月底補(bǔ)完實(shí)驗(yàn)，5月12日論文就被“原則上接收”，6月21日被正式接收。從論文“原則上接收”到正式接收這一個(gè)多月里，團(tuán)隊(duì)在期刊編輯的要求下，反復(fù)修改打磨論文，力圖清晰展現(xiàn)iMAP革命性的一面。

“編輯非常敬業(yè)，親自動(dòng)筆改寫文章，這是非常少見(jiàn)的?！背靥煺f(shuō)。編輯部還邀請(qǐng)Aviv Regev為iMAP撰寫Preview與論文同時(shí)發(fā)表，但因時(shí)間沖突，最后決定寫相關(guān)的長(zhǎng)篇綜述，此文將于今年11月發(fā)表。

池天（后排右三）團(tuán)隊(duì) 受訪者供圖

要“坐得起冷板凳”

“靜待花開終有時(shí)，不要去羨慕別人取得的成果，相信每一朵花開綻放的前提都是你提前埋好了種子。”劉波這樣分享他的科研感悟。

在充滿挑戰(zhàn)的科研生活中，荊征宇對(duì)自己的博士生涯做了一個(gè)總結(jié)：“我不僅學(xué)習(xí)了如何去解決一件問(wèn)題，而且我發(fā)現(xiàn)科研本身真的是件非常有趣的事情！雖然過(guò)程中總是伴隨著許多的失敗和挫折，但保持激情和足量的時(shí)間投入后總會(huì)有所收獲的?！?/p>

而對(duì)張校銘來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程比結(jié)果更重要，“解決難題、不斷簡(jiǎn)化流程、建立起一套新的體系……過(guò)程中我感受到自己能力的提升，這是我一直所追求的”。

“寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來(lái)?！标愑聆畏浅涯顖F(tuán)隊(duì)眾志成城攻克科研難題的那段時(shí)光——池天老師富有冒險(xiǎn)精神和探索精神、研究團(tuán)隊(duì)不畏艱難、通力合作，最終促成了iMAP的誕生。“此外，我還有個(gè)很大的收獲：如何面對(duì)一次次的失敗又不喪失信心；如何在面對(duì)不斷失敗時(shí)，發(fā)現(xiàn)通往曙光的道路并積極主動(dòng)地解決問(wèn)題，同時(shí)仍然心懷希望地生活和工作?！标愑聆握f(shuō)。

“做的了鋼鐵俠，坐得起冷板凳?！背靥煲蒙峡拼笮ｉL(zhǎng)江綿恒對(duì)上科大首屆研究生的新生寄語(yǔ)，“一劍八年，證明我們‘坐得起冷板凳’。上科大有優(yōu)良的雙創(chuàng)基因，我們因此也有希望‘做得了鋼鐵俠’，劍擊病魔，造福人類?！?/p>

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.039

來(lái)源：《細(xì)胞》