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科技日報記者 王春
7月22日，上海科技大學(xué)生命學(xué)院池天課題組在《細(xì)胞》（Cell）雜志在線發(fā)表論文，報道了一種嶄新的小鼠基因打靶技術(shù)iMAP，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”。
早在2001年，國際人類基因組計劃就公布了人類基因組序列。但目前為止，約兩萬個哺乳動物蛋白編碼基因在500多種細(xì)胞中的功能仍不為人知，這嚴(yán)重妨礙了疾病的診斷和治療。要系統(tǒng)性地解碼全部基因在全部細(xì)胞中的功能，必須將其分別在各種細(xì)胞中敲除（擾動）再鑒定其細(xì)胞表型，即描繪完整的“擾動圖譜”。這個圖譜的完成，將成為生物醫(yī)學(xué)研究的分水嶺：此后，要探索任何基因的基本功能，將會像查找基因序列一樣簡單。但用傳統(tǒng)的基因打靶方法，無法快速有效地描繪擾動圖譜，成為功能基因組學(xué)領(lǐng)域久攻不下的瓶頸。池天課題組里程碑式的成果為描繪完整擾動圖譜邁出了第一步。
“人類基因組早被測序，但其功能至今深藏不露，這嚴(yán)重妨礙了疾病診治。21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)的重要任務(wù)是解碼人類基因組這部神秘天書。”池天說。
iMAP誕生的背后是一場長達(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，沒有主流技術(shù)可以直接對標(biāo)。”
iMAP融合了Cre-loxP和CRISPR-Cas9技術(shù)，其核心組成部分是一個轉(zhuǎn)基因序列，它由U6啟動子和下游一串gRNA表達(dá)單位構(gòu)成。轉(zhuǎn)基因通常只表達(dá)第?個sgRNA，而利用藥物（他莫昔芬）激活Cre，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因重組，可使其余的sgRNA也得以表達(dá)，但每個細(xì)胞只隨機(jī)表達(dá)其中?個。這些sgRNA可在Cas9的幫助下敲除相應(yīng)的靶基因，從而將小鼠轉(zhuǎn)化為嵌合體。這種嵌合體可立即用于描繪擾動圖譜，也可迅速、廉價地繁育出多種傳統(tǒng)的單基因敲除品系。該品系不但可用于特定靶基因的后續(xù)深入研究，更可用于個體水平的表型篩選，從而與嵌合體優(yōu)勢互補(bǔ)，共同加速基因解碼。
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iMAP原理。上海科技大學(xué)供圖
研究團(tuán)隊首先構(gòu)建了一個iMAP品系，它攜帶61個gRNA表達(dá)單位，共靶向6個功能已知的標(biāo)志基因。該品系證明了iMAP的魯棒性，包括展示轉(zhuǎn)基因起碼能穩(wěn)定傳13代。隨后構(gòu)建的iMAP品系攜帶100個gRNA表達(dá)單位，靶向90個功能不甚清晰的基因，以此構(gòu)建了一個微型擾動圖譜，揭示了這90個基因分別在39個組織/細(xì)胞中對細(xì)胞存活、擴(kuò)增、分化的影響。
不但如此，研究團(tuán)隊還證明，一個iMAP品系的確可以衍生出多個傳統(tǒng)的單基因敲除品系。
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