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“俯瞰”生命进程,中国科学家将主导基因组标签计划

来源:科技日报2019-05-24 09:22

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  记者 张佳星

  国际合作的人类基因组计划(HGP)耗时13年、花费30亿美元通读了人类遗传“密码”,但很多生命问题仍然无解。例如基因组相同,细胞却分化为不同器官,里面发生了什么?癌症发生的前、中、后期,细胞发生了哪些变化?……

  这些动态的生命“程序”有没有可能被读通?5月23日,香山科学会议在上海召开以“基因组标签计划(GTP)”为主题的学术讨论会,建议启动由我国科学家全权主导的基因组标签计划,协作完成复杂的生命程序读通工作。

  “生命是一个动态程序。基因组解码是静态的,难以体现生命实质。而后基因组时代,人们开始探索生命过程中生物大分子的相互作用以及作用程序。”中国科学院生物化学与细胞生物学研究所研究员李劲松说,但这类研究目前还处于“盲人摸象”的阶段,更谈不上掌握其规律。

  基于正在发展的GTP平台,人们有可能在分子水平上,高精度、高准确度地对生命活动进行时空追踪。中国科学院院士李林表示:“我们瞄准的是重大科学问题的解决,利用:GTP平台,通过形成科学共同体的方式突破人类对生命认知的极限。同时,GTP项目的实施将带动相关科学领域的发展,如标签技术、蛋白质分析技术等,最终将有望促使生命科学研究水平的整体提升。”此外,GTP计划还有望带领人类走进生命科学研究的“不毛之地”,例如谜团巨大的脑科学领域、不明作用的“基因沙漠”等。

  中国科学家主导顺理成章

  HGP的启动基于人类掌握了基因测序技术——桑格测序法,GTP的启动同样基于新技术的发明,即我国科学家在“人造精子细胞”介导半克隆领域具有全球领先的技术、专利和研究。

  “因此,GTP计划由我国科学家主导顺理成章。”李劲松表示,目前的蛋白质分析技术难以实时反映蛋白质的生命功能。中国科学家通过发明“人造精子细胞”,把对蛋白质的研究回归到在动物活体中进行,大大提高了基因编辑动物模型的构建效率,并保证了基因编辑的准确性。“我们通过基因编辑的手段在‘人造精子细胞’中将特定的标签序列整合到某个编码蛋白质基因序列中,其基因操作将准确地反映到半克隆小鼠中。”李劲松表示,在动物活体中研究蛋白质,实现了在体、原位、实时、动态。

  搭建平台,瞄准重大科学问题

  “这是一个整体项目,因此必须在开始时就统一标准,保证数据的一致性。”李劲松介绍,GTP先期获得中国科学院战略性先导B类专项和上海市科委项目的支持,目前已经成立了生化与细胞所GTP研发中心,制定了标准操作程序。目前,GTP研发中心已经获得500余株标签“人造精子细胞”系和140余个标签小鼠品系。

  千里之行,始于足下,GTP计划从搭建平台开始做起。“我们计划5—10年内,针对基因组范围的蛋白质基因进行标签,获得基因组(约2.5万个基因)的‘人造精子细胞’库,并获得5000余种与人同源的重要蛋白质的标签小鼠,形成有国际影响力的实验动物研发平台。”李劲松说。

  “目前我们已经开展了相关的合作,也包括一些国际合作。”李劲松说,GTP研发中心也正在筹备相关网络平台的建设,科研团队不久之后就可以通过网络申请提请合作。生命科学家能第一时间利用这一平台开展大科学研究计划,如描绘精准的发育过程中的蛋白质图谱、探究肿瘤或其他疾病发病的相关蛋白质,为其精准治疗提供药物靶点和新型诊疗方式等。

  任务庞大,创新与协作将贯穿始终

  著名的“冰山理论”非常适合描述GTP的工作任务体量。李劲松解释道,如果说2.5万个功能基因是浮出水面的“冰山”,那么其对应的蛋白质、蛋白质构象的变化、蛋白质调控通路等更多的研究任务则是水面下更大的冰山,体量很可能是露出水面的上百倍。

  尽管为了推动GTP,中科院生化与细胞研究所专门建立了GTP研发中心,但是,“整体工作的体量,不可能是一家单位能够完成的。”李劲松说。

  此外,向冰山下的延伸还需要“知识基础”,对某一条细胞通路或蛋白质特性进行过深耕的研究组,辅以新技术的“加持”,将会“如虎添翼”,因此GTP计划需要有生命科学研究基础的科研团队,当然也会有一定的进入门槛。

  “新技术也会随着计划的开展不断创新。”中科院生化与细胞所研究员李党生说,例如,GTP2.0时代或将探索荧光标记的使用,最终实现蛋白质表达的可视化,科学家不必在条带中确认蛋白质的表达量,甚至可能通过荧光定性定量。

  届时,展现在人类眼前的将不仅仅是人类2.5万编码蛋白质基因的表达和翻译,还可能直击蛋白质表达的“时序”,甚至观看到生命由受精卵长成中生命进程“路线图”的动画版。

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