1條“小魚”，咋就成了研究產(chǎn)出全球第1！

斑馬魚，因全身布滿多條深藍(lán)色條紋似斑馬而得名。這種不起眼的生物，卻是撬動(dòng)許多學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)——其基因和人類基因相似度達(dá)87％，因此被應(yīng)用在生命科學(xué)、健康科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究中，與線蟲、果蠅、小鼠一樣，是常用的模式生物。

從2013年開始，在中國科學(xué)院院士朱作言、孟安明的號召下，國內(nèi)30多家實(shí)驗(yàn)室先后加入“斑馬魚1號染色體全基因敲除聯(lián)盟”（ZAKOC）。

經(jīng)過6年協(xié)作攻關(guān)，科學(xué)家針對斑馬魚1號染色體上的1333個(gè)基因進(jìn)行系統(tǒng)性基因敲除，成功敲除了其中1029個(gè)基因，實(shí)現(xiàn)了中國斑馬魚資源庫“從0到1”的突破，也為相關(guān)學(xué)科開展研究奠定了基礎(chǔ)。

在國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展上，由中科院水生生物研究所（以下簡稱水生所）牽頭完成的這一成果——“建成自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模斑馬魚定向突變體庫”入選基礎(chǔ)研究展區(qū)，出現(xiàn)在生物科技相關(guān)成果的第一展板上。

做基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)

與小白鼠相比，斑馬魚繁殖力強(qiáng)、發(fā)育迅速、胚胎透明、體外受精、體外發(fā)育等生物學(xué)特征，更加便于科學(xué)研究。

但在2012年前，國內(nèi)對斑馬魚的研究卻非常“小眾”，只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室在開展相關(guān)研究。

而在同一時(shí)期，美國、歐洲都建成了斑馬魚資源中心，澳大利亞等地區(qū)也建有斑馬魚庫。

此前，歐美國家發(fā)起過幾次“從表型到基因型”的正向遺傳學(xué)突變體庫構(gòu)建和篩選計(jì)劃，但這些突變體全部保藏在國外，中國科研人員很難獲取，加之知識產(chǎn)權(quán)等原因，轉(zhuǎn)化研究更加受限。

“沒有斑馬魚研究作為基礎(chǔ)，許多學(xué)科基礎(chǔ)研究很難開展?！彼芯繂T孫永華介紹，開展斑馬魚研究是許多“基礎(chǔ)研究工作的基礎(chǔ)”。

因此，建立自己的斑馬魚資源庫和自主知識產(chǎn)權(quán)的斑馬魚突變體庫尤為迫切。

國家層面也意識到斑馬魚研究的重要性，2012年10月，國家斑馬魚資源中心在水生所成立，主要任務(wù)就是為國內(nèi)收集、創(chuàng)制、整理、保藏和分享斑馬魚研究資源。

然而設(shè)立中心只是第一步，如何大規(guī)模創(chuàng)制和收集斑馬魚品系資源才是迫切需要解決的問題。

幾個(gè)月后，新一代基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9系統(tǒng)問世，讓中國斑馬魚研究人員看到了曙光。

“那時(shí)，‘基因剪刀技術(shù)’剛被證實(shí)有效，大家敏銳地意識到這個(gè)技術(shù)能夠非常高效地定制我們所需要的斑馬魚品系?！睂O永華回憶道。

2013年2月，CRISPR/Cas9技術(shù)被成功應(yīng)用于斑馬魚。在朱作言、孟安明的召集下，水生所、清華大學(xué)、中科院動(dòng)物研究所、北京大學(xué)等24家機(jī)構(gòu)的30多名學(xué)者迅速集結(jié)，組成了ZAKOC，開啟了“從基因型到表型”的斑馬魚大規(guī)模反向遺傳學(xué)篩選研究。

打造斑馬魚研究“國家隊(duì)”

“當(dāng)時(shí)大家已經(jīng)意識到，斑馬魚是一種很重要的實(shí)驗(yàn)材料。只有中國積累起足夠的實(shí)力，才能去談國際合作問題。只跟在別人后面做，必定要受制于人。”北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授張博是該聯(lián)盟的發(fā)起人之一。

她表示，盡管有很多不確定性，但意識到其中的戰(zhàn)略意義，國內(nèi)斑馬魚學(xué)界的力量很快以水生所為中心集結(jié)起來。

“大家一致認(rèn)為要從斑馬魚的1號染色體開始敲?！睂O永華表示，斑馬魚有25條染色體，其中1號染色體有1300多條基因，基因數(shù)量是25條染色體的平均數(shù)，作為樣本非常合適。

雖然大家的熱情高漲，但現(xiàn)實(shí)“捉襟見肘”。

一方面，作為重要的模式動(dòng)物，斑馬魚的基因敲除技術(shù)在當(dāng)時(shí)仍不成熟，極大限制了其基因功能研究。

“最大的挑戰(zhàn)在于沒有前人做過，這是‘基因剪刀技術(shù)’出現(xiàn)后，首次在脊椎動(dòng)物身上大規(guī)模應(yīng)用，誰也不知道會發(fā)生什么，只能見招拆招。”水生所高級工程師潘魯湲2014年加入項(xiàng)目，在她看來，正是大家毫無保留的互相幫助，才能“逢山開路，遇水架橋”。

據(jù)介紹，先后有30多家實(shí)驗(yàn)室參與項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)室間的完成度也難免會有差異。“遇到困難，大家首先想的總是怎么配合解決問題?！睂O永華表示，經(jīng)常是某一家遇到瓶頸“敲不動(dòng)”了，其他實(shí)驗(yàn)室就主動(dòng)領(lǐng)回來接著“敲”。

每隔一段時(shí)間，所有參與計(jì)劃的科研人員還會相互邀約，舉行項(xiàng)目協(xié)調(diào)會，了解彼此進(jìn)展，及時(shí)調(diào)整研究方案和策略。

“具有協(xié)作精神是這支隊(duì)伍最大的特點(diǎn)。院士作為領(lǐng)銜科學(xué)家把控方向，各實(shí)驗(yàn)室開展工作就能勁往一處使。”孫永華說。

另一方面，作為一個(gè)自發(fā)的科研聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，這項(xiàng)工作并沒有專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持。魚要吃飯，人要吃飯，實(shí)驗(yàn)室也要運(yùn)轉(zhuǎn)，都是最現(xiàn)實(shí)的問題。

絕大部分時(shí)間里，能采取的方法只有一種：省吃儉用，自籌經(jīng)費(fèi)。

“支撐大家堅(jiān)持下去的，是作為中國科學(xué)家的責(zé)任感。”張博坦言，僅她所在的實(shí)驗(yàn)室，前后就有二三十人參與到這項(xiàng)工作中。

大部分人都是幕后英雄，尤其是研究生們。

“通過參與這項(xiàng)研究，更多的青年科研人員掌握了最前沿的技術(shù)，成為我們的生力軍。”

回顧這幾年的工作，孫永華表示，科學(xué)探索本就充滿不確定性，但通過這項(xiàng)研究計(jì)劃，凝聚、鍛煉了一支科研隊(duì)伍，“這是我們最大的收獲”。

發(fā)揮好建制化優(yōu)勢

經(jīng)過6年多的研究、前后四五百人的付出，中國科學(xué)家利用CRISPR/Cas9技術(shù)，針對斑馬魚1號染色體上的1333個(gè)基因進(jìn)行系統(tǒng)性基因敲除，成功敲除了其中1029個(gè)基因，獲得針對636個(gè)基因的1039個(gè)可傳代的突變型，首次實(shí)現(xiàn)了脊椎動(dòng)物整條染色體的系統(tǒng)性基因敲除。

所有突變品系和遺傳信息全部通過國家水生生物種質(zhì)資源庫——國家斑馬魚資源中心對學(xué)術(shù)界公開。

不僅引領(lǐng)了國際斑馬魚表型組研究，而且建成了我國首個(gè)大規(guī)模斑馬魚定向突變體庫。

中國的國家斑馬魚資源中心也成為公認(rèn)的國際三大斑馬魚資源庫之一。

張博表示，回顧過去幾年的付出，一切都是值得的。伴隨著這一計(jì)劃，中國的斑馬魚學(xué)界不但完成了“從0到1”的突破，更搭建起一個(gè)平臺，吸引眾多海外青年學(xué)者回國建設(shè)實(shí)驗(yàn)室。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，我國的斑馬魚研究產(chǎn)出的全球占比已超過29%，成為全球產(chǎn)出體量第一的國家。

“協(xié)作是項(xiàng)目成功的重要原因，幾十家實(shí)驗(yàn)室共同協(xié)作完成這樣一項(xiàng)工作，在國內(nèi)外都是不多見的?！?/span>

對于潘魯湲和她的同事們來說，最直觀的工作體驗(yàn)是從北京到廣州、從上海到成都，把分散在全國的斑馬魚品系收集起來，然后整理歸類。

而作為牽頭單位，水生所也通過這一計(jì)劃，建立起了斑馬魚品系保藏體系，并整合出一套工作流程。

“斑馬魚1號染色體敲除計(jì)劃是一個(gè)開始，幫我們理清了收集、驗(yàn)證、保藏等流程，為后續(xù)開展更大規(guī)模的斑馬魚反向遺傳學(xué)篩選計(jì)劃奠定基礎(chǔ)?！睂O永華說。

“這項(xiàng)自發(fā)性協(xié)作研究，以斑馬魚1號染色體全基因敲除計(jì)劃為源頭，團(tuán)結(jié)和凝聚了中國以斑馬魚作為模式動(dòng)物開展研究的群體，進(jìn)一步促進(jìn)了以斑馬魚為對象在發(fā)育、代謝、毒理等方面的基礎(chǔ)研究，以及其在生物技術(shù)創(chuàng)新、****物研發(fā)、水產(chǎn)育種、水環(huán)境效應(yīng)評價(jià)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究；以該團(tuán)隊(duì)為核心，承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中‘斑馬魚發(fā)育與代謝突變體庫的系統(tǒng)創(chuàng)制’項(xiàng)目，并在相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的潛質(zhì)?！彼L殷戰(zhàn)表示。

正如中國的斑馬魚領(lǐng)域的科研工作一樣，如今中國的科研逐漸由并跑邁向領(lǐng)跑階段，更需要能動(dòng)性地發(fā)揮出建制化、大團(tuán)隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢，聚焦基礎(chǔ)領(lǐng)域，開展全鏈條、跨部門協(xié)同攻關(guān)，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)提供有力保障。

《中國科學(xué)報(bào)》 (2021-12-24 第1版 要聞 原標(biāo)題為《從“1”開始 實(shí)現(xiàn)“0”的突破》)

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛