動物基因“建模”微米乾坤里的“中國創造”

　　那是個帶“發卡”的姑娘，“酶少爺”回憶：“她的發卡攝人心魄，我忍不住追過去，擁她入懷。”

　　彼時，發卡姑娘正被“雙螺旋”糾纏。“別怕！”“酶少爺”利落揮劍，DNA雙螺旋就此解體、斷裂，咔咔聲不斷。

　　這個橋段，是用來形象地比喻上古時代細菌基因組的免疫記憶。“瓦解噬菌體、病毒的入侵”，百科資料顯示，這些有規律的序列是間隔的短回文重復結構（英文首字母縮寫為CRISPR）。因此，它轉錄出的“向導RNA”像個“發卡”，引來武藝高強的Cas9蛋白，也就是“酶少爺”，精確切斷DNA鏈。

　　這一原理如今衍生出科學家“編輯”基因的一把利器。運用CRISPR基因編輯技術，云南靈長類生物醫學重點實驗室研究員季維智和合作團隊，“編輯”食蟹猴胚胎細胞基因，獲得首批攜帶定向突變的基因工程猴，并發表于《細胞》雜志。

　　建立獲得模式動物的方法、創制疾病動物模型，能夠為科學研究、臨床應用提供線索和評估，并已成為我國生物醫學研究的特色和優勢領域。我國在模式動物的研究上做了哪些工作，取得哪些突破？科技日報記者日前專訪了幾位取得里程碑式研究進展的學者，他們從微米級的胚胎干細胞入手，在單細胞期、單倍體等不同類別“小乾坤”中，嘗試經年，進行創制。他們認為，積累是獲得突破式進展的必經之路，沒有捷徑。

　　一個支點，撬起平臺新里程

　　“2012年，我們嘗試用一種名為ZFN的基因編輯技術，希望得到定向突變的基因工程猴，但并不順利。”季維智回憶，直到2013年CRISPR技術的新進展在《科學》雜志上刊出。

　　由于已有所準備，季維智與南京大學黃行許、南京醫科大學沙家豪合作，由對方構建質粒，共同進行靈長類動物的基因靶向敲除研究。

　　研究人員在180多個單細胞期猴胚胎中同時靶向敲除了3個基因，并獲得8個胚胎擁有2個靶基因同時突變的跡象。這些胚胎隨后被轉移到代孕母猴體內，其中一個生出了一對孿生猴，他們的基因經過“精準編輯”。這一成果被認為有里程碑意義。

　　此外，他們還與同濟大學合作，用被稱為TALEN的基因編輯技術成功獲得了敲除自閉癥相關基因的模式猴。

　　季維智介紹，他們擁有幾十年持續構建的靈長類體外繁殖的系統。“我們從上世紀九十年代開始養猴子，掌握了獲得高質量卵細胞、確定受精時間、改進體外受精、胚胎培養、干細胞培育等多個技術體系”，這些“微”操作都要求精準。對一個技術平臺的傳承、維護、修補、優化再升級，由幾輩科研人手口相傳下來。

　　換個角度，“編輯”更精準

　　基因編輯技術兩年來已被不斷完善和擴展，這把“剪輯器”的精準度也在不斷提升。但由于哺乳動物的遺傳密碼總是成對出現，其中的“顯隱性”會給研究帶來困惑。

　　“這是工具的精準度彌補不了的”，換個角度入手，中國科學院動物研究所研究員周琪打算從細胞本身減少“干擾”。“如果只保留一套染色體，基因操作就相對容易。”他選擇了自己擅長的發育生物學領域，與其合作團隊探出一條新路。2008年底他們開始“制造”小鼠單倍體胚胎干細胞，讓細胞只保留一套染色體。

　　“制造”包括用一些離子、小分子或者電刺激激活干細胞、胚胎培養等步驟，在對發育時序的諳熟中，團隊苦試多年。2012年9月30日，《自然》發表了他們的成果——利用基因修飾的單倍體胚胎干細胞獲得健康成活轉基因哺乳動物。

　　“我們進一步發現，人工方法得到的這類雌、雄細胞，可以分別替代卵子和精子育出小鼠和大鼠。”周琪說，這意味著生命將可能以一種全新的方式制造出來。結果也證實了這一猜想，最新的研究已經證實，這些人工創造的干細胞可以跳過“受精階段”發育成健康小鼠。

　　干細胞同樣還是研究物種進化過程中基因調控的新手段。周琪團隊將大鼠和小鼠的單倍體胚胎干細胞進行了融合，“結果不僅創造了全新的哺乳動物干細胞，而且在干細胞研究中X染色體失活等重要領域又有新的斬獲，在新的人造細胞中只有大鼠的X染色體基因表達，這些工作為研究基因逃逸提供了全新的思路，文章即將發表在《細胞》雜志。”周琪透露。

　　“讓有生殖能力的單倍體細胞實現體外培養和增殖，突破了研究瓶頸。”中國科學院院士、同濟大學教授裴鋼評價。

　　攜手攻關，“領先”以“共享”為基石

　　“基因修飾猴子的工作，從發表論文數就可以看出，中國占據著優勢地位。”周琪認為，中國科學家群體間的協作，是這一工作取得多項重大成果，得以領先國際的關鍵。

　　“多年來，科技部門組織起北京、云南、廣東等地的研究力量，專門設立了靈長類的目標導向項目，在數據溝通、研究交流、技術分享上達成一致，全力以赴，通力合作。”周琪回憶。

　　資料顯示，在疾病動物模型研究方面，我國建設了包括小鼠、大鼠、豬、猴等不同模式動物的平臺，在重要基因修飾技術的開發和使用上取得了多項領先性成果。除上面提到的“獲得世界首例基因突變猴模型”“首次獲得純合基因修飾猴”“首次利用單倍體干細胞技術制備小鼠和大鼠轉基因模型”外，還制備出多基因敲除大鼠、首次獲得基因突變的豬血液病模型等。

　　此外，我國科學家已闡明了非編碼RNA、轉錄因子、調控網絡、DNA和RNA甲基化調控的途徑和機制，并正著力于獲得細胞分化、去分化、轉分化以及細胞命運決定機制等的理論突破，建立細胞命運調控方面的知識體系，開發功能性細胞獲得、組織器官構建、移植免疫調節等關鍵技術。