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

7月22日，池天團隊在《細胞》在線發(fā)表論文，報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“擾動圖譜”。該基因解碼技術(shù)為破解人類基因組密碼提供了強大武器。

?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，“通過藥物誘導(dǎo)，能在小鼠全身敲除100個基因，但每個細胞只能隨機敲除一個，從而將小鼠轉(zhuǎn)化為嵌合體動物（mosaic organism）。”

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

作為概念驗證，池天團隊檢查了90個基因敲除后分別對39種器官/組織/細胞的存活、擴增或細胞分化的影響，描繪了全球第一張“擾動圖譜”。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，單細胞生物學(xué)的領(lǐng)軍人物Aviv Regev已與池天醞釀發(fā)起“單細胞擾動圖譜計劃”，準備在全球范圍內(nèi)聯(lián)合多個實驗室，利用iMAP在單細胞水平描繪小鼠全部2萬個蛋白編碼基因在全身各組織的擾動圖譜。

“這一圖譜將成為生物醫(yī)學(xué)研究史上的一個重要里程碑——此后，探索小鼠任何基因的基本功能會像查找基因序列一樣簡單，而不再動輒需花費多年心血。”池天說。

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)計劃利用iMAP改良水稻品種。耶魯大學(xué)一位國際著名免疫學(xué)家給池天團隊的賀信中預(yù)言，“iMAP將變革眾多領(lǐng)域”。

八年科學(xué)“馬拉松”

iMAP功能強大，但其誕生的背后卻是一場長達八年、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CRISPR基因編輯技術(shù)已問世，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。“有人不屑一顧，有人直呼瘋狂，大多心存疑慮。”池天回憶，“這也不奇怪，因為iMAP太新了，是0到1，沒有主流技術(shù)可以直接對標。就如同當(dāng)年P(guān)CR概念萌芽后，甚至初步結(jié)果出來后，仍然在Cetus公司內(nèi)部遭到冷遇，這好像不可思議，其實不難理解?！?/p>

iMAP的研發(fā)過程充滿了艱辛和曲折?！拔覀儾攘撕芏嗫?，有些坑很詭異。”為使同行避免重蹈覆轍，這些失敗的實驗，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級研究生）等的努力，到2018級博士生荊征宇加入課題組時，終于曙光初照，但道路依然坎坷。“我們的研究工作很少有可以參考的文獻，研究期間我們遇到了各種困難，好在最后成功了。”荊征宇回憶。

今年畢業(yè)、帶領(lǐng)過荊征宇和2019級博士生張校銘攻關(guān)的2016級博士生劉波表示，“項目的成功離不開池老師統(tǒng)攬全局、精心計劃，也離不開實驗室成員們的團結(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。

“我在耶魯啟動過其他數(shù)個像iMAP一樣的高風(fēng)險課題，但都因經(jīng)費原因夭折了。而上科大鼓勵教授勇于坐冷板凳，諾獎得主James Rothman也表示上科大適合我?！背靥煅a充說，“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)過程是“山高路遠坑深”，但審稿過程相當(dāng)順利。今年2月15日投稿，3月10日得到反饋，月底補完實驗，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”到正式接收這一個多月里，團隊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)，親自動筆改寫文章，這是非常少見的。”池天說。編輯部還邀請Aviv Regev為iMAP撰寫Preview與論文同時發(fā)表，但因時間沖突，最后決定寫相關(guān)的長篇綜述，此文將于今年11月發(fā)表。

池天（后排右三）團隊 受訪者供圖

要“坐得起冷板凳”

“靜待花開終有時，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，荊征宇對自己的博士生涯做了一個總結(jié)：“我不僅學(xué)習(xí)了如何去解決一件問題，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間投入后總會有所收獲的?！?/p>

而對張校銘來說，實驗的過程比結(jié)果更重要，“解決難題、不斷簡化流程、建立起一套新的體系……過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。”陳玉鑫非常懷念團隊眾志成城攻克科研難題的那段時光——池天老師富有冒險精神和探索精神、研究團隊不畏艱難、通力合作，最終促成了iMAP的誕生?！按送?，我還有個很大的收獲：如何面對一次次的失敗又不喪失信心；如何在面對不斷失敗時，發(fā)現(xiàn)通往曙光的道路并積極主動地解決問題，同時仍然心懷希望地生活和工作?！标愑聆握f。

“做的了鋼鐵俠，坐得起冷板凳?！背靥煲蒙峡拼笮ｉL江綿恒對上科大首屆研究生的新生寄語，“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

來源：《細胞》