生物医学研究的重要里程碑——世界首张小鼠“扰动图谱”

“人类基因组早被测序，但其功能至今深藏不露，这严重妨碍了疾病诊治。”上海科技大学生命学院教授池天说，“21世纪生物医学的重要任务就是解码人类基因组这部‘神秘天书’。”

7月22日，池天团队在《细胞》在线发表论文，报道了一种崭新的小鼠基因打靶技术iMAP，并快速鉴定了90个基因在39种组织的基本功能，构建了世界首张小鼠微型“扰动图谱”。该基因解码技术为破解人类基因组密码提供了强大武器。

iMAP原理

革命性的iMAP

“iMAP融合了Cre-loxP和CRISPR-Cas9技术。”池天介绍说，“通过药物诱导，能在小鼠全身敲除100个基因，但每个细胞只能随机敲除一个，从而将小鼠转化为嵌合体动物（mosaic organism）。”

野生型动物各细胞基因组相同，嵌合体则由携带不同基因组的细胞构成。iMAP嵌合体可用于快速普查100个靶基因分别在全身各种细胞中的基本功能，同时也能通过简单的交配繁殖衍生出100个传统的单基因敲除品系，从而大大降低后者的制备成本。

作为概念验证，池天团队检查了90个基因敲除后分别对39种器官/组织/细胞的存活、扩增或细胞分化的影响，描绘了全球第一张“扰动图谱”。虽然这张图谱只是全基因组图谱的雏形，但已提供了大量难以用其他技术轻易获得的宝贵信息，更为描绘全基因组图谱奠定了基础。

目前，单细胞生物学的领军人物Aviv Regev已与池天酝酿发起“单细胞扰动图谱计划”，准备在全球范围内联合多个实验室，利用iMAP在单细胞水平描绘小鼠全部2万个蛋白编码基因在全身各组织的扰动图谱。

“这一图谱将成为生物医学研究史上的一个重要里程碑——此后，探索小鼠任何基因的基本功能会像查找基因序列一样简单，而不再动辄需花费多年心血。”池天说。

该图谱将成为生物医学研究的分水岭，除了鉴定蛋白编码基因的功能，iMAP也可用于解码基因组任何其他序列、探索“老药新用”和筛选药物靶点等。iMAP也有推广到其他模式生物的可能性；有水稻专家已经计划利用iMAP改良水稻品种。耶鲁大学一位国际著名免疫学家给池天团队的贺信中预言，“iMAP将变革众多领域”。

八年科学“马拉松”

iMAP功能强大，但其诞生的背后却是一场长达八年、历经六届学生前赴后继努力的科学“马拉松”。

2014年，池天还在耶鲁大学，当时CRISPR基因编辑技术已问世，而池天又熟悉Cre-loxP。他突发奇想，试图融合这两种技术，但同事并不看好。“有人不屑一顾，有人直呼疯狂，大多心存疑虑。”池天回忆，“这也不奇怪，因为iMAP太新了，是0到1，没有主流技术可以直接对标。就如同当年PCR概念萌芽后，甚至初步结果出来后，仍然在Cetus公司内部遭到冷遇，这好像不可思议，其实不难理解。”

iMAP的研发过程充满了艰辛和曲折。“我们踩了很多坑，有些坑很诡异。”为使同行避免重蹈覆辙，这些失败的实验，部分已于两年前以预印本形式发表。经Ravinder Kaundal （耶鲁大学博士后）和陈玉鑫、毛少帅、刘波（分别是上科大生命学院2014、2015、2016级研究生）等的努力，到2018级博士生荆征宇加入课题组时，终于曙光初照，但道路依然坎坷。“我们的研究工作很少有可以参考的文献，研究期间我们遇到了各种困难，好在最后成功了。”荆征宇回忆。

今年毕业、带领过荆征宇和2019级博士生张校铭攻关的2016级博士生刘波表示，“项目的成功离不开池老师统揽全局、精心计划，也离不开实验室成员们的团结一心、努力工作。”除了学生非常给力，学校的大力支持也让池天的研究如鱼得水。

“我在耶鲁启动过其他数个像iMAP一样的高风险课题，但都因经费原因夭折了。而上科大鼓励教授勇于坐冷板凳，诺奖得主James Rothman也表示上科大适合我。”池天补充说，“所以叮嘱学生，课题必须做到底，论文非顶刊不发。”

iMAP研发过程是“山高路远坑深”，但审稿过程相当顺利。今年2月15日投稿，3月10日得到反馈，月底补完实验，5月12日论文就被“原则上接收”，6月21日被正式接收。从论文“原则上接收”到正式接收这一个多月里，团队在期刊编辑的要求下，反复修改打磨论文，力图清晰展现iMAP革命性的一面。

“编辑非常敬业，亲自动笔改写文章，这是非常少见的。”池天说。编辑部还邀请Aviv Regev为iMAP撰写Preview与论文同时发表，但因时间冲突，最后决定写相关的长篇综述，此文将于今年11月发表。

池天（后排右三）团队

要“坐得起冷板凳”

“静待花开终有时，不要去羡慕别人取得的成果，相信每一朵花开绽放的前提都是你提前埋好了种子。”刘波这样分享他的科研感悟。

在充满挑战的科研生活中，荆征宇对自己的博士生涯做了一个总结：“我不仅学习了如何去解决一件问题，而且我发现科研本身真的是件非常有趣的事情！虽然过程中总是伴随着许多的失败和挫折，但保持激情和足量的时间投入后总会有所收获的。”

而对张校铭来说，实验的过程比结果更重要，“解决难题、不断简化流程、建立起一套新的体系……过程中我感受到自己能力的提升，这是我一直所追求的”。

“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。”陈玉鑫非常怀念团队众志成城攻克科研难题的那段时光——池天老师富有冒险精神和探索精神、研究团队不畏艰难、通力合作，最终促成了iMAP的诞生。“此外，我还有个很大的收获：如何面对一次次的失败又不丧失信心；如何在面对不断失败时，发现通往曙光的道路并积极主动地解决问题，同时仍然心怀希望地生活和工作。”陈玉鑫说。

“做的了钢铁侠，坐得起冷板凳。”池天引用上科大校长江绵恒对上科大首届研究生的新生寄语，“一剑八年，证明我们‘坐得起冷板凳’。上科大有优良的双创基因，我们因此也有希望‘做得了钢铁侠’，剑击病魔，造福人类。”