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给人体两万多个蛋白质贴上“二维码”,这项国际大科学计划将由中国科学家发起!

文汇 08-25

为与人体生命活动息息相关的 2.2 万种蛋白质贴上 " 二维码 " 标签,像跟踪快递包裹一样观察它们在体内的活动。这个近乎 " 科幻 " 的想法,在过去百年的生命科学研究中,简直不可想象。如果得以实现,将开启全球蛋白质研究的新时代,改变人类认识生命的方式。

过去两年多,中国科学家一直在酝酿 " 基因组标签计划 "(GTP 计划),希望能在未来十年内,建立起一个拥有 2.5 万个细胞系、5000 个标签小鼠的技术平台。在日前举行的香山科学会议第 S47 次学术会议上,与会专家提出,应以 GTP 计划为基础,启动一项国际大科学计划,并由我国科学家全权主导完成。6 月底,GTP 研究中心网站开始内部试运行,预计将在几个月后正式上线,向全球科学家提供基因标签小鼠。

蛋白质标签,实现全球生命科学家梦想

自从发现 DNA 双螺旋结构以来,人类对于生命的认识进入了一个全新境界。1990 年,包括中国在内的多国科学家启动了人类基因组计划,预算花费 30 亿美元,绘制出人类全基因组图谱。2003 年,这项有着生命科学 " 登月计划 " 之称的国际大科学计划宣告完成。

人类基因组计划揭示出了 2.2 万个编码蛋白质的基因。在此后十几年中,生命科学家针对基因与蛋白质进行了大量研究,发现了许多生命活动的机理,并为许多疾病找到了治疗线索。

然而,随着研究的深入,科学家又发现了一个不得不解决的问题:目前关于蛋白质的大量实验只能在细胞中进行,很多还必须在体外进行。可是,在真实的生命体中,蛋白质往往会从一个细胞跑到另一个细胞,甚至从一个组织器官去到另一个组织器官。

" 现在我们对蛋白质的研究,就如同在研究一只动物的标本,或是其关在笼子里的状态,这显然与它们在野外真实的生存状态有很大区别。"GTP 计划的主要领衔者、中国科学院分子细胞卓越创新中心研究员李劲松说,如果想从根本上阐释生命,就必须找到一种方法,能够跟踪、观测到生命体中活动着的真实状态的蛋白质," 这也可以说是全球生命科学家的梦想之一 "。

这个想法听起来很合理,实现起来却困难重重。因为研究蛋白质需要相应的抗体,一种蛋白质有时会对应好几种抗体。大多数的抗体制备繁琐、成本高昂,迄今还有约 50% 的蛋白质缺乏抗体,这就意味着科学家还对研究它们无能为力。而且,抗体只能用在体外实验,体内实验该怎么办?科学家还没想出什么好办法。更令人抓狂的是,抗体质量相当不稳定,即使同一公司制备的抗体,批次不同也可能产生不同的实验效果。这一切都导致了科研时间和经费的极大浪费,给研究者带来了极大的麻烦,制约了研究进程。

本世纪初,生命科学家开始探索一种新的方法——基因组标签。既然蛋白质是由基因产生的,那么能不能在基因中插入一段可用作标签的多肽序列,当蛋白质被生产出来时,就自动带上了这个多肽 " 标签 "。而对于科学家来说,本来需要准备上万种抗体去对应识别不同蛋白质,现在只需要准备一种或几种抗体来识别 " 标签 " 蛋白就可以了。

▲从基因标签到标签小鼠

这样一来,不仅蛋白质研究的流程将会被大大简化,原先那一半无法下手的蛋白质也能被研究了!

人造精子细胞,突破哺乳动物基因组标签难关

2003 年,英国《自然》杂志发表了酵母基因组标签研究的论文;2012 年,科学家为线虫的所有蛋白质都打上了标签;2016 年,果蝇的基因组标签也完成了。然而,科学家在尝试为哺乳动物打基因组标签时,却卡壳了。

早在 2008 年,就有科学家开始尝试,但都一筹莫展。可即使有了 " 基因魔剪 "CRISPR-Cas9,能够将 " 标签 " 基因片段插入到对应的基因中,但一进入生殖过程,基因的不确定性以及小鼠繁殖和生长成本高、周期长等问题全都冒了出来。

2012 年,中国科学院生物化学与细胞生物学研究所研究员李劲松??研究组发展起了 " 人造精子细胞 " 技术,可以低成本、高效率、大规模地生产出带有蛋白质标签的小鼠。

利用这种技术,科学家能做什么?李劲松介绍,科研人员第一步是利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术,在一种被称为 " 人造精子细胞 " 的孤雄单倍体胚胎干细胞的特定基因序列上,插入特定的 " 标签 " 序列,以获得带有基因标签的 " 人造精子细胞 ";第二步则是把这个细胞注入卵子,对小鼠进行 " 人工授精 ",获得携带标签蛋白质的小鼠;最后,打上 " 标签 " 的基因便可以在小鼠生长发育过程中转录和翻译成为带有特定标签的蛋白质。

▲标签小鼠的科研用途

由于单倍体细胞所有基因编辑都可在体外完成,研究人员可以方便地筛选出标签插入正确的细胞加以保存。" 这种技术的优势是,可以用一个精子细胞繁殖出成百上千只遗传背景一模一样的实验小鼠。" 李劲松说,科研人员只要用基因编辑技术,做出一个带上准确蛋白质标签的精子细胞,并将它保存好,就能在需要时繁殖出带有特定蛋白质标签的小鼠。

这些蛋白质标签不仅易于识别,还方便跟踪。在这些小鼠身上,科学家可直接跟踪带上了标签的蛋白质,观察它们在生命活动中的真实表现。随着技术发展,科学家甚至可以同时观察几个、几十个蛋白质的群体 " 伙伴组 " 活动。这将为科学家了解生命活动的真相,提供前所未有的便利。

" 如果说,蛋白质研究此前还停留在‘盲人摸象’阶段,那么基因标签技术则让它进入了可精准跟踪的‘卫星导航’时代。" 中国科学院院士、中科院分子细胞卓越创新中心首席科学家李林认为,这将助力人类编纂有关生命活动本质的百科全书,推动基础研究发展,形成研究新理论、新范式。

十年投入 10 亿元,孕育国际大科学计划

人类基因组计划共花费了 30 亿美元,开启了人类认识生命的新时代。" 我们又站到了一个新的时代门槛上。" 李林认为,以我国科学家具有完全知识产权的技术为核心,发起国际大科学计划,建立起世界级生命科研平台,将会显著增强我国在世界生命科学界的影响力。

2017 年 5 月,李劲松在一次研讨会上首次提出了 GTP 项目设想。仅过了不到两个月,他所在的中科院生物化学与细胞生物学研究所就通过中国科学院先导计划 B 项目,拨给他 200 万元经费,以便他立即着手探索。当年 10 月,上海市科委为该项目启动了 " 科技创新行动计划 ",支持经费 2000 万元。12 月,生化与细胞所 GTP 研究中心成立。

" 目前,GTP 中心已完成标签细胞 524 种,标签小鼠 141 种。" 谈及未来发展,李劲松踌躇满志:整套技术体系已相当成熟,只需培训更多技术人员,就能为更多蛋白质打上标签——再有 10 亿元投入,就能在五到十年内,研发出 2.5 万种标签细胞、5000 种标签小鼠。

" 如果发展顺利,未来五年内,中国将在这个领域兴建起一个世界级模式动物平台。" 李林说,这将吸引全球蛋白质研究领域的科学家前来开展研究。

就在 6 月底,GTP 研发中心网站开始试运行。通过该网站,全球科学家都可以向 GTP 中心下单定制所需要的标签小鼠。在此之前,已有中国学者通过课题合作,享受到了新技术带来的科研 " 红利 "。

▲大科学计划之间的关系

山东大学齐鲁医学部教授陈子江曾与其他实验室合作,试图培养出带蛋白质标签的小鼠,但都失败了。她抱着试试看的心情,向李劲松课题组定制了两只标签小鼠。没想到,利用这两只小鼠,她用了不到一年时间就顺利完成了实验,论文发表在影响因子超过 10 分的学术期刊上。于是,她一口气续订了十只标签小鼠。

"GTP 研发中心将优先满足重大科研计划需求,尤其是在支持其他大科学计划的发展上。" 李劲松说,国际人类表型组计划、国际脑科学计划、人类表观基因组计划、人类蛋白质组计划、癌症基因组计划等项目,都将用到基因组标签计划所建立起来的实验动物和工具平台," 我们可以根据需求进行个性化定制,以加速其技术突破与进展 "。

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详解科研词汇

1、孤雄单倍体胚胎:将小鼠卵子中的遗传物质去掉,然后注入精子,构建只携带精子遗传物质的胚胎,称为孤雄单倍体胚胎。

2、人造精子细胞:用孤雄单倍体胚胎建立的孤雄单倍体胚胎干细胞系,可在体外长期培养传代,并可作为精子的替代物,通过将其注入卵子而获得健康小鼠,故称为 " 人造精子细胞 "。

3、基因组标签:在基因组范围内,在所有编码蛋白质基因的原位,插入一段标准的标签序列,获得相应的标签 " 人造精子细胞 " 库和标签小鼠库。

4、蛋白质标签:利用基因编辑手段,在编码蛋白质基因的原位,插入一段能产生与目的蛋白质一起融合表达的一种多肽或蛋白,通过成熟标准的标签抗体,可对目的蛋白质进行检测、示踪、表达和纯化等操作。

5、蛋白质标签小鼠:是指小鼠的目标基因原位插入了标签 DNA 序列,可产生与目标蛋白质融合的标签蛋白质或多肽,通过标签抗体即可在体研究蛋白质的动态变化。

作者:杨馥溪

编辑:金婉霞

责任编辑:许琦敏

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