文 | 《中国科学报》记者 李思辉 实习生 毕若雪
“2021年暑假的一个凌晨，我突然灵机一动，思考了很久的一个模型突然清晰起来。我立即从床上蹦起来，花了5分钟，在纸上把它清楚地画了出来！”说起最近发表在Cell（《细胞》）上的研究成果的来源，殷昊自己也觉得有些不可思议。殷昊是武汉大学教授，不久前他和合作者联合在Cell发表了一篇研究性文章。这篇文章介绍了他和团队成员研发的一种名为Amplification Editing（简称AE）的基因编辑工具。
基因组的结构变异导致自闭症、智力低下、面部发育畸形等遗传疾病。而结构变异非常复杂，长期以来缺乏有效的研究工具。针对这一难题，殷昊团队历时4年，成功研发出名为AE的工具。殷昊介绍，AE是一种高效精确的基因组结构编辑工具，它以可编程的方式精确高效地复制从小片段到染色体级别的基因组序列，将精准复制的范围从单个基因位点扩展到染色体层面。他打了一个形象的比喻：“传统的基因编辑工具只能修补房檐和墙壁上的洞，而AE能改变和重构房子的结构，并按照图纸迅速而精确地建造出来。”“这一工具的目标是帮助建立遗传病模型和癌症细胞动物模型，在疾病药物选择和治疗方面起到基础性作用。”殷昊解释，AE工具是目前为止第一个真正意义上高效精准的基因组结构变异或染色体编辑工具，能够有效攻克以往大片段基因复制或结构改变时精准性和效率低、操作复杂的问题。实验室研究显示，科研人员在使用AE工具时，可以在细胞中精确地复制长达100 Mb的DNA片段，这对于研究大型基因序列或染色体结构的变化至关重要。这项工具的发明，引起了国际同行的关注。一位Cell审稿人评论认为：“AE标志着基因组精准编辑的重大飞跃——从仅针对特定基因扩展到修改整个染色体区域。”AE工具研发实际上是建立在殷昊此前研究基础上的。2016年殷昊从麻省理工学院博士后出站，2018年回国，在此之前一直从事基因组编辑方面的研究工作。2014年，他和合作者在Nature Biotechnology（《自然-生物科技》）上发表相关研究论文，是全球首个证明CRISPR（原核生物基因组内的一段重复序列）可以治疗遗传病的研究。当时，这项研究在业内引起了较大反响，美国的福克斯新闻台、英国的《独立报》等媒体对他进行了专访。之后，他和合作者一起研发了CRISPR体内递送方案，用于基因编辑的体内疗法。目前这一基因编辑的体内疗法已经进入了三期临床试验。2016年博士后出站后，他在美国一家大型药企工作了一年半，专注于基因编辑的临床转化。2018年，他感觉“自己应该回国做一些工作了”。在家人的支持下，他计划回国。他向国内一些高校递交资料。武汉大学认真研究他的申请后，决定聘任他为教授，给予良好的科研条件，让他可以心无旁骛地搞研究。这坚定了他回国的决心。回国后，首先要确定研究方向。殷昊告诉记者，他之前主要是利用基因编辑手段做由单个基因突变导致的遗传病治疗方面的研究。当他和合作者在这方面有一些起色之后，国际上很多研究者都涌入这个领域了。于是他思量：既然回国重新开始，能不能开辟一个新的研究方向，转入“人迹罕至的森林”？反复思考后，他决定从新的角度着手，聚焦于那些由基因组的结构变异而非单个基因突变导致的疾病。因为接近一半的人类致病性遗传突变是结构变异。这方面的研究虽然比较难做，但很有意义。这个领域面临的一个关键瓶颈就是缺乏好用的遗传工具。于是，他试图开发一套针对基因组结构变异的编辑工具，做一些“前所未有的工作”。AE研发的计划应运而生。殷昊告诉《中国科学报》，这项研究的难点有两个，一是获得结构变异编辑工具的基础模型，二是对模型进行扩展。2021年几乎整个夏天，殷昊每晚入睡前都会花至少1个小时思考构建模型的问题，却一直百思不得其解。让他自己都觉得不可思议的是，一天凌晨，躺在床上的他脑海里突然蹦出一个模型，他立马从床上蹦起来，花5分钟在纸上把它画了出来。“孩子还在身边熟睡，不能发出太大声音。但心里特别兴奋！”第二天，殷昊将模型拿给团队成员进一步验证，实验结果表明，模型十分精准！获得基础模型后，完成模型的拓展和构建就是关键。“AE工具的研发最初并不顺利，团队成员经历了多次失败，屡败屡战。”殷昊告诉记者，关键在于找到一套稳定可靠的测量方法，保证工具的可靠性、有效性。如果实验数据和模型之间不能在各方面自洽，工具就无法做成。经过和学生多次“头脑风暴”及多轮实验验证，课题组终于解决了这一问题。在殷昊看来，老师和学生之间应该教学相长、互相学习；遇到瓶颈，教授不妨虚心向学生请教，师生集思广益往往会收获意外惊喜。比如在此前的另一项研究中，殷昊在研究中遇到了瓶颈，实验总是失败，于是他决定让学生尝试一下。他对一位博士生说：“你再做一次，做不出来就算了。”没想到对方一次成功，并以此调侃：“殷老师的手感可能不行，我的手感比较好。”随后，团队进行反复试验，发现其实是学生的操作失误导致了实验的成功。于是一个全新的研究思路又蹦出来了——何不将错就错？经过戏剧性的实验，课题组最终成功解决了一个困扰他们许久的问题。经过大量繁琐和具体的研究开发，AE工具终于被设计出来了。于是，他们向Cell投稿。Cell 审稿人回信提出一系列修改意见，这些意见主要是针对AE工具的可靠性，而这恰恰是他们此前反复验证过的。要回应审稿人提出的问题，他们不仅需要做很多有针对性的提炼总结，而且需要按照审稿人提供的思路完成一些不一样的实验。与很多投稿者对审稿人意见的头疼不已不同，殷昊和团队成员都觉得“审稿人的意见提得挺好。”论文一作张瑞文告诉记者，顶刊审稿要求极其严格，改稿的过程当然也有痛苦，但这是一个能够帮大家改进研究的过程。“现在回过头去看，审稿人的意见其实对我们的研究有很大的帮助——对方给我们指出了一条如何把繁杂的研究尽可能明确表达出来的路径。”他说。殷昊认为，包括修改论文在内的整个AE工具的研发过程，不仅提升了团队年轻人的科研理解能力，而且使他们快速成长，逐渐能够独立开展项目研究。关于团队管理，殷昊借鉴麻省理工学院的管理经验，注重培养年轻人的自驱力，而不是机械地要求博士生、研究生“打卡式”上班，他也很少要求他们被动工作。“科研是一项长期的工作，需要独立思考和解决问题的能力，而自我驱动是培养这种能力的最佳方式。”他说。一位与殷昊长期在一起学习工作的学者告诉记者，西方人注重生活体验，在麻省理工学院，大多数研究人员都不太主张加班。但殷昊绝对是实验室为数不多的经常加班的人之一。一项实验没完成，他始终心心念念，于是自我驱动，自觉开启加班模式。在武汉大学，他也是“加班狂人”之一。AE工具已经问世，同行做研究使用这个工具是否需要付费？殷昊告诉记者，目前，他和团队成员已经对AE申请了相关专利，如果是企业利用这项工具开发产品、销售盈利，按规定需要支付费用。然而，如果是科研人员进行科学研究，则可以免费使用。“我们真诚欢迎广大同行共享我们的工具和数据，大家共同努力，一起推动基因编辑技术往前走。”殷昊说。https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.05.056
