給與人體生命活動(dòng)息息相關(guān)的2.2萬種蛋白質(zhì)貼上“二維碼”標(biāo)簽，像跟蹤快遞包裹一樣觀察它們?cè)隗w內(nèi)的活動(dòng)。這個(gè)近乎科幻的想法如果得以實(shí)現(xiàn)，將開啟蛋白質(zhì)研究的全新時(shí)代，改變?nèi)祟愓J(rèn)識(shí)生命的方式。
過去兩年多，中國(guó)科學(xué)家一直在醞釀“基因組標(biāo)簽計(jì)劃”（GTP計(jì)劃），希望能在未來十年內(nèi)，建立起一個(gè)擁有2.5萬個(gè)細(xì)胞系、5000種標(biāo)簽小鼠的技術(shù)平臺(tái)。
在日前舉行的香山科學(xué)會(huì)議第S47次學(xué)術(shù)會(huì)議上，與會(huì)專家提出，應(yīng)以GTP計(jì)劃為基礎(chǔ)，啟動(dòng)一項(xiàng)國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃，并由我國(guó)科學(xué)家全權(quán)主導(dǎo)完成。如今，GTP研究中心網(wǎng)站已開始運(yùn)行，即將向全球科學(xué)家提供基因標(biāo)簽小鼠。
蛋白質(zhì)標(biāo)簽
實(shí)現(xiàn)全球生命科學(xué)家的夢(mèng)想
如果想從根本上闡釋生命，就必須找到一種方法，能夠跟蹤、觀測(cè)到生命體中活動(dòng)著的真實(shí)狀態(tài)的蛋白質(zhì)。
自從發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以來，人類對(duì)于生命的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)全新境界。1990年，包括中國(guó)在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家啟動(dòng)了人類基因組計(jì)劃，預(yù)算花費(fèi)30億美元，繪制出人類全基因組圖譜。2003年，這項(xiàng)有著生命科學(xué)“登月計(jì)劃”之稱的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃宣告完成。
人類基因組計(jì)劃揭示出了2.2萬個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因。在此后十幾年中，生命科學(xué)家針對(duì)基因與蛋白質(zhì)進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)了許多生命活動(dòng)的機(jī)理，并為許多疾病找到了治療線索。
然而，隨著研究的深入，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不得不解決的問題：目前關(guān)于蛋白質(zhì)的大量實(shí)驗(yàn)只能在細(xì)胞中進(jìn)行，很多還必須在體外進(jìn)行?？墒?，在真實(shí)的生命體中，蛋白質(zhì)往往會(huì)從一個(gè)細(xì)胞跑到另一個(gè)細(xì)胞，甚至從一個(gè)組織器官去到另一個(gè)組織器官。
“現(xiàn)在我們對(duì)蛋白質(zhì)的研究，就如同在研究一只動(dòng)物的標(biāo)本，或是其關(guān)在籠子里的狀態(tài)，這顯然與它們?cè)谝巴庹鎸?shí)的生存狀態(tài)有很大區(qū)別?！盙TP計(jì)劃的主要領(lǐng)銜者、中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞卓越創(chuàng)新中心研究員李勁松說，如果想從根本上闡釋生命，就必須找到一種方法，能夠跟蹤、觀測(cè)到生命體中活動(dòng)著的真實(shí)狀態(tài)的蛋白質(zhì)，“這也可以說是全球生命科學(xué)家的夢(mèng)想之一”。
這個(gè)想法聽起來很合理，實(shí)現(xiàn)起來卻困難重重。因?yàn)檠芯康鞍踪|(zhì)需要相應(yīng)的抗體，一種蛋白質(zhì)有時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)好幾種抗體。大多數(shù)的抗體制備繁瑣、成本高昂，迄今還有約50%的蛋白質(zhì)缺乏抗體，這就意味著科學(xué)家還對(duì)研究它們無能為力。而且，抗體只能用在體外實(shí)驗(yàn)，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)該怎么辦？科學(xué)家還沒想出什么好辦法。更令人抓狂的是，抗體質(zhì)量相當(dāng)不穩(wěn)定，即使同一公司制備的抗體，批次不同也可能產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)效果。這一切都導(dǎo)致了科研時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的極大浪費(fèi)，給研究者帶來了極大的麻煩，制約了研究進(jìn)程。
本世紀(jì)初，生命科學(xué)家開始探索一種新的方法——基因組標(biāo)簽。既然蛋白質(zhì)是由基因產(chǎn)生的，那么能不能在基因中插入一段可用作標(biāo)簽的多肽序列，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)被生產(chǎn)出來時(shí)，就自動(dòng)帶上了這個(gè)多肽“標(biāo)簽”。而對(duì)于科學(xué)家來說，本來需要準(zhǔn)備上萬種抗體去對(duì)應(yīng)識(shí)別不同蛋白質(zhì)，現(xiàn)在只需要準(zhǔn)備一種或幾種抗體來識(shí)別“標(biāo)簽”蛋白就可以了。這樣一來，不僅蛋白質(zhì)研究的流程將會(huì)被大大簡(jiǎn)化，原先那一半無法下手的蛋白質(zhì)也能被研究了！
人造精子細(xì)胞
突破哺乳動(dòng)物“加標(biāo)簽”難關(guān)
在這些小鼠身上，甚至可以同時(shí)觀察幾個(gè)、幾十個(gè)蛋白質(zhì)的群體“伙伴組”活動(dòng)。這將為科學(xué)家了解生命活動(dòng)的真相，提供前所未有的便利。
2003年，英國(guó)《自然》雜志發(fā)表了酵母基因組標(biāo)簽研究的論文；2012年，科學(xué)家為線蟲的所有蛋白質(zhì)都打上了標(biāo)簽；2016年，果蠅的基因組標(biāo)簽也完成了。然而，科學(xué)家在嘗試為哺乳動(dòng)物打基因組標(biāo)簽時(shí)，卻卡殼了。
早在2008年，就有科學(xué)家開始此類嘗試，但都一籌莫展。因?yàn)椋词褂辛恕盎蚰Ъ簟盋RISPR-Cas9，能夠?qū)ⅰ皹?biāo)簽”基因片段插入到對(duì)應(yīng)的基因中，可一旦進(jìn)入生殖過程，基因的不確定性以及小鼠繁殖和生長(zhǎng)成本高、周期長(zhǎng)等問題全都冒了出來。
2012年，李勁松研究組發(fā)展起了“人造精子細(xì)胞”技術(shù)，可以低成本、高效率、大規(guī)模地生產(chǎn)出帶有蛋白質(zhì)標(biāo)簽的小鼠。
利用這種技術(shù)，科學(xué)家能做什么？李勁松介紹，第一步是利用CRISPRCas9基因編輯技術(shù)，在一種被稱為“人造精子細(xì)胞”的孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞的特定基因序列上，插入特定的“標(biāo)簽”序列，以獲得帶有基因標(biāo)簽的“人造精子細(xì)胞”；第二步則是把這個(gè)細(xì)胞注入卵子，對(duì)小鼠進(jìn)行人工授精，獲得攜帶標(biāo)簽蛋白質(zhì)的小鼠；最后，打上“標(biāo)簽”的基因便可以在小鼠生長(zhǎng)發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄和翻譯成為帶有特定標(biāo)簽的蛋白質(zhì)。
由于單倍體細(xì)胞所有基因編輯都可以在體外完成，研究人員就能方便地篩選出標(biāo)簽插入正確的細(xì)胞加以保存?！斑@種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是，可以用一個(gè)精子細(xì)胞繁殖出成百上千只遺傳背景一模一樣的實(shí)驗(yàn)小鼠?！崩顒潘烧f，科研人員只要用基因編輯技術(shù)，做出一個(gè)帶上準(zhǔn)確蛋白質(zhì)標(biāo)簽的精子細(xì)胞，并將它保存好，就能在需要時(shí)繁殖出帶有特定蛋白質(zhì)標(biāo)簽的小鼠。
這些蛋白質(zhì)標(biāo)簽不僅易于識(shí)別，還方便跟蹤。在這些小鼠身上，科學(xué)家可直接跟蹤帶上了標(biāo)簽的蛋白質(zhì)，觀察它們?cè)谏顒?dòng)中的真實(shí)表現(xiàn)。隨著技術(shù)發(fā)展，科學(xué)家甚至可以同時(shí)觀察幾個(gè)、幾十個(gè)蛋白質(zhì)的群體“伙伴組”活動(dòng)。這將為科學(xué)家了解生命活動(dòng)的真相，提供前所未有的便利。
“如果說，蛋白質(zhì)研究此前還停留在‘盲人摸象’階段，那么基因標(biāo)簽技術(shù)則讓它進(jìn)入了可精準(zhǔn)跟蹤的‘衛(wèi)星導(dǎo)航’時(shí)代。”中國(guó)科學(xué)院院士、中科院分子細(xì)胞卓越創(chuàng)新中心首席科學(xué)家李林認(rèn)為，這將助力人類編纂有關(guān)生命活動(dòng)本質(zhì)的百科全書，推動(dòng)基礎(chǔ)研究發(fā)展，形成研究新理論、新范式。
十年投入10億元
孕育國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃
未來五年，中國(guó)將在這個(gè)領(lǐng)域興建起一個(gè)世界級(jí)模式動(dòng)物平臺(tái)，吸引全球蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域的科學(xué)家前來開展研究。
人類基因組計(jì)劃共花費(fèi)了30億美元，開啟了人類認(rèn)識(shí)生命的新時(shí)代。“我們又站到了一個(gè)新的時(shí)代門檻上。”李林認(rèn)為，以我國(guó)科學(xué)家具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)為核心，發(fā)起國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃，建立起世界級(jí)生命科研平臺(tái)，將會(huì)顯著增強(qiáng)我國(guó)在世界生命科學(xué)界的影響力。
2017年5月，李勁松在一次研討會(huì)上首次提出了GTP項(xiàng)目設(shè)想。僅過了不到兩個(gè)月，他所在的中科院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所就通過中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)計(jì)劃B項(xiàng)目，撥給他200萬元經(jīng)費(fèi)，以便他立即著手探索。當(dāng)年10月，上海市科委為該項(xiàng)目啟動(dòng)了“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”，支持經(jīng)費(fèi)2000萬元。12月，生化與細(xì)胞所GTP研究中心成立。
“目前，GTP中心已完成標(biāo)簽細(xì)胞524種，標(biāo)簽小鼠141種?！闭劶拔磥戆l(fā)展，李勁松躊躇滿志：整套技術(shù)體系已相當(dāng)成熟，只需培訓(xùn)更多技術(shù)人員，就能為更多蛋白質(zhì)打上標(biāo)簽——再有10億元投入，就能在五到十年內(nèi)，研發(fā)出2.5萬種標(biāo)簽細(xì)胞、5000種標(biāo)簽小鼠。
“如果發(fā)展順利，未來五年內(nèi)，中國(guó)將在這個(gè)領(lǐng)域興建起一個(gè)世界級(jí)模式動(dòng)物平臺(tái)?！崩盍终f，這將吸引全球蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域的科學(xué)家前來開展研究。
就在不久前，GTP研發(fā)中心網(wǎng)站開始試運(yùn)行。未來，通過該網(wǎng)站，全球科學(xué)家都可以向GTP中心下單定制所需要的標(biāo)簽小鼠。在此之前，已有中國(guó)學(xué)者通過課題合作，享受到了新技術(shù)帶來的科研“紅利”。
山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)部教授陳子江曾與其他實(shí)驗(yàn)室合作，試圖培養(yǎng)出帶蛋白質(zhì)標(biāo)簽的小鼠，但都失敗了。她抱著試試看的心情，向李勁松課題組定制了兩只標(biāo)簽小鼠。沒想到，利用這兩只小鼠，她用了不到一年時(shí)間就順利完成了實(shí)驗(yàn)，論文發(fā)表在影響因子超過10分的學(xué)術(shù)期刊上。于是，她一口氣續(xù)訂了十只標(biāo)簽小鼠。
“GTP研發(fā)中心將優(yōu)先滿足重大科研計(jì)劃需求，尤其是在支持其他大科學(xué)計(jì)劃的發(fā)展上?！崩顒潘烧f，國(guó)際人類表型組計(jì)劃、國(guó)際腦科學(xué)計(jì)劃、人類表觀基因組計(jì)劃、人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃、癌癥基因組計(jì)劃等項(xiàng)目，都將用到基因組標(biāo)簽計(jì)劃所建立起來的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和工具平臺(tái)，“我們可以根據(jù)需求進(jìn)行個(gè)性化定制，以加速其技術(shù)突破與進(jìn)展”。
生命科學(xué) 蛋白質(zhì)與“二維碼”標(biāo)簽
科學(xué)家如何給蛋白質(zhì)貼上標(biāo)簽？
蛋白質(zhì)是由基因產(chǎn)生的，于是，科學(xué)家只需要在基因中插入一段多肽序列，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)被生產(chǎn)出來時(shí)，就自動(dòng)帶上了這個(gè)多肽，就像是被貼上了標(biāo)簽一樣。
當(dāng)小鼠的目標(biāo)基因原位插入了標(biāo)簽DNA序列，就可產(chǎn)生與目標(biāo)蛋白質(zhì)融合的標(biāo)簽蛋白質(zhì)或多肽，通過標(biāo)簽抗體即可在體研究蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。這樣的小鼠就被稱為 “蛋白質(zhì)標(biāo)簽小鼠”。
什么是孤雄單倍體胚胎？
將小鼠卵子中的遺傳物質(zhì)去掉，然后注入精子，構(gòu)建只攜帶精子遺傳物質(zhì)的胚胎，稱為孤雄單倍體胚胎。
什么是人造精子細(xì)胞？
用孤雄單倍體胚胎建立的孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞系，可在體外長(zhǎng)期培養(yǎng)傳代，并可作為精子的替代物，通過將其注入卵子而獲得健康小鼠，故稱為“人造精子細(xì)胞”。
基因組標(biāo)簽和蛋白質(zhì)標(biāo)簽有何區(qū)別？
基因組標(biāo)簽是指在基因組范圍內(nèi)，在所有編碼蛋白質(zhì)基因的原位，插入一段標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽序列，獲得相應(yīng)的標(biāo)簽“人造精子細(xì)胞”庫(kù)和標(biāo)簽小鼠庫(kù)。
蛋白質(zhì)標(biāo)簽是指利用基因編輯手段，在編碼蛋白質(zhì)基因的原位，插入一段能產(chǎn)生與目的蛋白質(zhì)一起融合表達(dá)的一種多肽或蛋白，通過成熟標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽抗體，可對(duì)目的蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)、示蹤、表達(dá)和純化等操作。
原載于《文匯報(bào)》 2019年8月25日 第7版
作者：楊馥溪
