生物醫學研究的重要里程碑——世界首張小鼠“擾動圖譜”

“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。”上海科技大學生命學院教授池天說，“21世紀生物醫學的重要任務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》在線發表論文，報道了一種嶄新的小鼠基因打靶技術iMAP，并快速鑒定了90個基因在39種組織的基本功能，構建了世界首張小鼠微型“擾動圖譜”。該基因解碼技術為破解人類基因組密碼提供了強大武器。

iMAP原理

革命性的iMAP

“iMAP融合了Cre-loxP和CRISPR-Cas9技術。”池天介紹說，“通過藥物誘導，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輕易獲得的寶貴信息，更為描繪全基因組圖譜奠定了基礎。

目前，單細胞生物學的領軍人物Aviv Regev已與池天醞釀發起“單細胞擾動圖譜計劃”，準備在全球范圍內聯合多個實驗室，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學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學研究的分水嶺，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；有水稻專家已經計劃利用iMAP改良水稻品種。耶魯大學一位國際著名免疫學家給池天團隊的賀信中預言，“iMAP將變革眾多領域”。

八年科學“馬拉松”

iMAP功能強大，但其誕生的背后卻是一場長達八年、歷經六屆學生前赴后繼努力的科學“馬拉松”。

2014年，池天還在耶魯大學，當時CRISPR基因編輯技術已問世，而池天又熟悉Cre-loxP。他突發奇想，試圖融合這兩種技術，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，沒有主流技術可以直接對標。就如同當年PCR概念萌芽后，甚至初步結果出來后，仍然在Cetus公司內部遭到冷遇，這好像不可思議，其實不難理解。”

iMAP的研發過程充滿了艱辛和曲折。“我們踩了很多坑，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印本形式發表。經Ravinder Kaundal （耶魯大學博士后）和陳玉鑫、毛少帥、劉波（分別是上科大生命學院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、帶領過荊征宇和2019級博士生張校銘攻關的2016級博士生劉波表示，“項目的成功離不開池老師統攬全局、精心計劃，也離不開實驗室成員們的團結一心、努力工作。”除了學生非常給力，學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個像iMAP一樣的高風險課題，但都因經費原因夭折了。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。”池天補充說，“所以叮囑學生，課題必須做到底，論文非頂刊不發。”

iMAP研發過程是“山高路遠坑深”，但審稿過程相當順利。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，反復修改打磨論文，力圖清晰展現iMAP革命性的一面。

“編輯非常敬業，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與論文同時發表，但因時間沖突，最后決定寫相關的長篇綜述，此文將于今年11月發表。

池天（后排右三）團隊

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。

在充滿挑戰的科研生活中，荊征宇對自己的博士生涯做了一個總結：“我不僅學習了如何去解決一件問題，而且我發現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。”

而對張校銘來說，實驗的過程比結果更重要，“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。“此外，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，發現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。”陳玉鑫說。

“做的了鋼鐵俠，坐得起冷板凳。”池天引用上科大校長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’。上科大有優良的雙創基因，我們因此也有希望‘做得了鋼鐵俠’，劍擊病魔，造福人類。”