世界首张小鼠“扰动图谱”揭秘基因功能 上海科技大学池天团队成果登上《细胞

　　7月22日，上海科技大学生命学院池天课题组在《细胞》（Cell）杂志在线发表论文，报道了一种崭新的小鼠基因打靶技术iMAP，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”。

　　早在2001年，国际人类基因组计划就公布了人类基因组序列。但目前为止，约两万个哺乳动物蛋白编码基因在500多种细胞中的功能仍不为人知，这严重妨碍了疾病的诊断和治疗。要系统性地解码全部基因在全部细胞中的功能，必须将其分别在各种细胞中敲除（扰动）再鉴定其细胞表型，即描绘完整的“扰动图谱”。这个图谱的完成，将成为生物医学研究的分水岭：此后，要探索任何基因的基本功能，将会像查找基因序列一样简单。但用传统的基因打靶方法，无法快速有效地描绘扰动图谱，成为功能基因组学领域久攻不下的瓶颈。池天课题组里程碑式的成果为描绘完整扰动图谱迈出了第一步。

　　“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。21世纪生物医学的重要任务是解码人类基因组这部神秘天书。”池天说。

　　iMAP诞生的背后是一场长达八年、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，没有主流技术可以直接对标。”

　　iMAP融合了Cre-loxP和CRISPR-Cas9技术，其核心组成部分是一个转基因序列，它由U6启动子和下游一串gRNA表达单位构成。转基因通常只表达第⼀个sgRNA，而利用药物（他莫昔芬）激活Cre，导致转基因重组，可使其余的sgRNA也得以表达，但每个细胞只随机表达其中⼀个。这些sgRNA可在Cas9的帮助下敲除相应的靶基因，从而将小鼠转化为嵌合体。这种嵌合体可立即用于描绘扰动图谱，也可迅速、廉价地繁育出多种传统的单基因敲除品系。该品系不但可用于特定靶基因的后续深入研究，更可用于个体水平的表型筛选，从而与嵌合体优势互补，共同加速基因解码。

　　研究团队首先构建了一个iMAP品系，它携带61个gRNA表达单位，共靶向6个功能已知的标志基因。该品系证明了iMAP的鲁棒性，包括展示转基因起码能稳定传13代。随后构建的iMAP品系携带100个gRNA表达单位，靶向90个功能不甚清晰的基因，以此构建了一个微型扰动图谱，揭示了这90个基因分别在39个组织/细胞中对细胞存活、扩增、分化的影响。