动物“建模”，微米乾坤里的“中国创造”
本报记者张佳星
那是个带“发卡”的姑娘，“酶少爷”回忆：“她的发卡摄人心魄，我忍不住追过去，拥她入怀。”
彼时，发卡姑娘正被“双螺旋”纠缠。“别怕！”“酶少爷”利落挥剑，DNA双螺旋就此解体、断裂，咔咔声不断。
这个桥段，是用来形象地比喻上古时代细菌基因组的免疫记忆。“瓦解噬菌体、病毒的入侵”，百科资料显示，这些有规律的序列是间隔的短回文重复结构(英文首字母缩写为CRISPR)。因此，它转录出的“向导RNA”像个“发卡”，引来武艺高强的Cas9蛋白，也就是“酶少爷”，精确切断DNA链。
这一原理如今衍生出科学家“编辑”基因的一把利器。运用CRISPR基因编辑技术，云南灵长类生物医学重点实验室研究员季维智和合作团队，“编辑”食蟹猴胚胎细胞基因，获得首批携带定向突变的基因工程猴，并发表于《细胞》杂志。
建立获得模式动物的方法、创制疾病动物模型，能够为科学研究、临床应用提供线索和评估，并已成为我国生物医学研究的特色和优势领域。我国在模式动物的研究上做了哪些工作，取得哪些突破？科技日报记者日前专访了几位取得里程碑式研究进展的学者，他们从微米级的胚胎干细胞入手，在单细胞期、单倍体等不同类别“小乾坤”中，尝试经年，进行创制。他们认为，积累是获得突破式进展的必经之路，没有捷径。
一个支点，撬起平台新里程
“2012年，我们尝试用一种名为ZFN的基因编辑技术，希望得到定向突变的基因工程猴，但并不顺利。”季维智回忆，直到2013年CRISPR技术的新进展在《科学》杂志上刊出。
由于已有所准备，季维智与南京大学黄行许、南京医科大学沙家豪合作，由对方构建质粒，共同进行灵长类动物的基因靶向敲除研究。
研究人员在180多个单细胞期猴胚胎中同时靶向敲除了3个基因，并获得8个胚胎拥有2个靶基因同时突变的迹象。这些胚胎随后被转移到代孕母猴体内，其中一个生出了一对孪生猴，他们的基因经过“精准编辑”。这一成果被认为有里程碑意义。
此外，他们还与同济大学合作，用被称为TALEN的基因编辑技术成功获得了敲除自闭症相关基因的模式猴。
季维智介绍，他们拥有几十年持续构建的灵长类体外繁殖的系统。“我们从上世纪九十年代开始养猴子，掌握了获得高质量卵细胞、确定受精时间、改进体外受精、胚胎培养、干细胞培育等多个技术体系”，这些“微”操作都要求精准。对一个技术平台的传承、维护、修补、优化再升级，由几辈科研人手口相传下来。
换个角度，“编辑”更精准
基因编辑技术两年来已被不断完善和扩展，这把“剪辑器”的精准度也在不断提升。但由于哺乳动物的遗传密码总是成对出现，其中的“显隐性”会给研究带来困惑。
“这是工具的精准度弥补不了的”，换个角度入手，中国科学院动物研究所研究员周琪打算从细胞本身减少“干扰”。“如果只保留一套染色体，基因操作就相对容易。”他选择了自己擅长的发育生物学领域，与其合作团队探出一条新路。2008年底他们开始“制造”小鼠单倍体胚胎干细胞，让细胞只保留一套染色体。
“制造”包括用一些离子、小分子或者电刺激激活干细胞、胚胎培养等步骤，在对发育时序的谙熟中，团队苦试多年。2012年9月30日，《自然》发表了他们的成果——利用基因修饰的单倍体胚胎干细胞获得健康成活转基因哺乳动物。
“我们进一步发现，人工方法得到的这类雌、雄细胞，可以分别替代卵子和精子育出小鼠和大鼠。”周琪说，这意味着生命将可能以一种全新的方式制造出来。结果也证实了这一猜想，最新的研究已经证实，这些人工创造的干细胞可以跳过“受精阶段”发育成健康小鼠。
干细胞同样还是研究物种进化过程中基因调控的新手段。周琪团队将大鼠和小鼠的单倍体胚胎干细胞进行了融合，“结果不仅创造了全新的哺乳动物干细胞，而且在干细胞研究中X染色体失活等重要领域又有新的斩获，在新的人造细胞中只有大鼠的X染色体基因表达，这些工作为研究基因逃逸提供了全新的思路，文章即将发表在《细胞》杂志。”周琪透露。
“让有生殖能力的单倍体细胞实现体外培养和增殖，突破了研究瓶颈。”中国科学院院士、同济大学教授裴钢评价。
“基因修饰猴子的工作，从发表论文数就可以看出，中国占据着优势地位。”周琪认为，中国科学家群体间的协作，是这一工作取得多项重大成果，得以领先国际的关键。
“多年来，科技部门组织起北京、云南、广东等地的研究力量，专门设立了灵长类的目标导向项目，在数据沟通、研究交流、技术分享上达成一致，全力以赴，通力合作。”周琪回忆。
资料显示，在疾病动物模型研究方面，我国建设了包括小鼠、大鼠、猪、猴等不同模式动物的平台，在重要基因修饰技术的开发和使用上取得了多项领先性成果。除上面提到的“获得世界首例基因突变猴模型”“首次获得纯合基因修饰猴”“首次利用单倍体干细胞技术制备小鼠和大鼠转基因模型”外，还制备出多基因敲除大鼠、首次获得基因突变的猪血液病模型等。
此外，我国科学家已阐明了非编码RNA、转录因子、调控网络、DNA和RNA甲基化调控的途径和机制，并正着力于获得细胞分化、去分化、转分化以及细胞命运决定机制等的理论突破，建立细胞命运调控方面的知识体系，开发功能性细胞获得、组织器官构建、移植免疫调节等关键技术。
稿源：人民网
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