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当前热点-迈出从0到1关键一步!上科大团队构建世界首张小鼠微型“扰动图谱” 为破解基因组“天书”提供武器

来源:新民晚报 时间: 2022-08-06 09:40:06

图说:iMAP原理 采访对象供图(下同)

“人类基因组早被测序,但其功能至今深藏不露,真是‘知人知面不知心’。这严重妨碍了疾病诊治。21世纪生物医学的重要任务是解码人类基因组这部‘神秘天书’。”上海科技大学生命学院教授、耶鲁大学客座教授池天感慨。

工欲善其事,必先利其器。池天领衔的课题组历时八年开发的一种高通量小鼠基因解码技术iMAP,为破解“天书”提供了强大武器。这一成果也于昨天(5日)在国际顶尖学术期刊《细胞》(Cell)上发表 。


(资料图)

“从0到1”

人类至少有500种细胞和约2万个蛋白编码基因。早在2001年,国际人类基因组计划就公布了这些基因的序列。然而迄今为止,这些基因在各种细胞中的功能仍鲜为人知,这严重妨碍了疾病的诊断和治疗。要系统性解码全部基因在全部细胞中的功能,必须将每个基因分别在各种细胞中“敲除”(剔除)再鉴定其造成的细胞表型,即描绘完整的“扰动图谱”。

有了完整的扰动图谱,探索任何基因的基本功能将像“查字典”一样简单。不过,用传统基因解码方法无法快速有效地描绘扰动图谱。池天课题组为突破这个困境迈出了“从0到1”的关键一步。

池天介绍,课题组开发的iMAP融合了Cre-loxP和CRISPR-Cas9技术,其中,Cre是微生物的“重组酶”,能识别叫LoxP 的小片段DNA序列,使两个LoxP发生组合;而CRISPR-Cas9是微生物的“核酸酶”,俗称“魔剪”,被广泛用于基因编辑。

“iMAP能在小鼠里敲除上百个基因,但每个细胞只敲除其中之一,从而可快速普查不同的基因分别在全身各种细胞中的基本功能,即描绘扰动图谱。”池天表示,“另外,这种新型的基因敲除小鼠,可通过简单地配繁,衍生出上百种传统的‘单基因敲除小鼠品系’,从而大大降低其制备成本。简单地说,iMAP将基因解码速度提高了上百倍, 我们试图以后将其提高500倍。”

图说:微型扰动图谱,展示100个sgRNA分别在39个组织/细胞类型中的丰度

作为概念验证,池天团队检查了90个基因敲除后分别对39种器官/组织/细胞的存活、扩增或细胞分化的影响,描绘了全球第一张扰动图谱。虽然这张图谱只是全基因组图谱的雏形,但已提供了大量难以用其他技术轻易获得的宝贵信息,更为描绘全基因组图谱奠定了基础。

科学“马拉松”

iMAP诞生的背后是一场长达八年、历经六届学生前赴后继努力的科学“马拉松”。

2014年,CRISPR-Cas技术已问世,而池天又熟悉Cre-loxP。他突发奇想,能否融合这两种技术,但同事并不看好。“这也不奇怪,因为iMAP太新了,没有主流技术可以直接对标。”池天回忆。

他告诉记者,突发奇想并不难,难的是使其实现,因为有不少隐蔽的“坑”。“我们主要通过试错法,摸着石头过河。老鼠实验周期长,每次失败,常意味着半年以上的时间被浪费,真是步步惊心。”例如,池天团队利用文献报道的LoxP突变体解决了自发重组的问题,但不料该突变体却没有表现出应有的一个必需特性,导致团队需要从头设计突变体;团队试图利用CRISPR沉默靶基因,虽然体外效果不错,不料小鼠内却很弱……。为使同行避免重蹈覆辙,这些失败的实验,部分已于2年前以预印本形式发表。

负责生物信息学分析的学生荆征宇感叹:“实验困难重重,好在最后成功了”。参与小鼠繁殖、鉴定、造模等实验的张校铭坦言,自己最大的收获是对逻辑思维方式的训练。“很多时候,小鼠体重的变化、细胞分群的比例等细微变化都在告诉你接下来实验的走向。一开始大家会认为这些细微的变化就是误差,但往往最后实验的结果都不理想。”他说,“仔细分析后发现,导致结果不理想的原因,与开始时的实验细节是有因果关系的。”

图说:上科大生命科学与技术学院池天团队

新技术或变革诸多领域

记者了解到,单细胞生物学的领军人物维夫·雷格夫已与池天酝酿发起“单细胞扰动图谱计划”,准备在全球范围内联合多个实验室,利用iMAP在单细胞水平描绘小鼠全部2万个蛋白编码基因在全身各组织的扰动图谱。

除了鉴定蛋白编码基因的功能,iMAP也可用于解码基因组任何其他序列、探索“老药新用”和筛选药物靶点等。iMAP理论上也能推广到小鼠以外的物种,有水稻专家已经计划利用iMAP改良水稻品种。耶鲁大学一位国际著名免疫学家给池天团队的贺信中预言,“iMAP将变革众多领域。”

池天表示,成果的产出离不开上海科技大学浓郁的科研氛围、足够的经费支持和良好的仪器设备。此外,上科大还一直鼓励产业转化,提供孵化器等实质性帮助,目前还积极和池天一起推动科技公司的创立,近期目标是利用iMAP筛选肿瘤免疫疗法的优质靶点,并在今后延伸到其他重大疾病。

新民晚报记者 郜阳 实习生 计丹洁

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