iMAP原理    受访者供图

◎本报记者 张双虎 ◎黄辛

“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。”上海科技大学生命学院教授池天说，“21世纪生物医学的重要任务就是解码人类基因组这部‘神秘天书’。”

近日，池天团队在《细胞》在线发表论文，报道了一种崭新的小鼠基因打靶技术iMAP，并快速鉴定了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”。该基因解码技术为破解人类基因组密码提供了“神器”。

革命性的iMAP

“iMAP融合了Cre-loxP和CRISPR-Cas9技术。”池天介绍说，“其通过药物诱导，能在小鼠全身敲除100个基因，但每个细胞只能随机敲除一个，从而将小鼠转化为嵌合体动物。”

野生型动物各细胞基因组相同，而嵌合体则由携带不同基因组的细胞构成。iMAP嵌合体可快速普查100个靶基因在全身各种细胞中的基本功能，同时也能通过简单的交配繁殖衍生出100个传统的单基因敲除品系，从而大大降低后者的制备成本。

作为概念验证，池天团队检查了90个基因敲除后，分别对39种器官/组织/细胞的存活、扩增或细胞分化的影响描绘了全球第一张“扰动图谱”。虽然这张图谱只是全基因组图谱的雏形，但已提供了大量难以用其他技术轻易获得的宝贵信息，更为描绘全基因组图谱奠定了基础。

目前，单细胞生物学的领军人物Aviv Regev已与池天酝酿发起“单细胞扰动图谱计划”。他们准备在全球范围内联合多个实验室，利用iMAP在单细胞水平描绘小鼠全部2万个蛋白编码基因在全身各组织的扰动图谱。

“这一图谱将成为生物医学研究史上的一个重要里程碑——此后，探索小鼠任何基因的基本功能会像查找基因序列一样简单，而不再动辄花费多年心血。”池天说。

该图谱将成为生物医学研究的分水岭。除了鉴定蛋白编码基因的功能，iMAP还可用于解码基因组任何其他序列,探索“老药新用”和筛选药物靶点等。iMAP也有推广到其他模式生物的可能性，有水稻专家已经计划利用iMAP改良水稻品种。耶鲁大学一位国际著名免疫学家给池天团队的贺信中预言，“iMAP将变革众多领域。”

八年科研“马拉松”

iMAP功能强大，但其诞生的背后却是一场长达八年、历经六届学生前赴后继努力的科研“马拉松”。

2014年，池天还在耶鲁大学时，CRISPR基因编辑技术就已问世，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。“有人不屑一顾，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，是0到1，没有主流技术可以直接对标。就如同当年PCR（聚合酶链式反应）概念萌芽后，甚至初步结果出来后，在美国Cetus公司内部仍然遭到冷遇一样。这好像不可思议，但其实不难理解。”

iMAP的研发过程充满了艰辛和曲折。“我们踩了很多坑，有些坑很诡异。”为避免同行重蹈覆辙，这些失败的实验，部分已于两年前以预印本形式发表。经耶鲁大学博士后Ravinder Kaundal 和上海科技大学生命学院2014、2015、2016级研究生陈玉鑫、毛少帅、刘波等人的努力，直到2018级博士生荆征宇加入课题组时才终于曙光初照，但道路依然坎坷。“我们的研究工作很少有可以参考的文献，研究期间遇到各种困难，好在最后成功了。”荆征宇回忆。

“我在耶鲁大学启动过其他数个像iMAP一样的高风险课题，但都因经费原因夭折了。而上海科技大学鼓励教授勇于坐冷板凳，耶鲁大学教授、诺奖得主James Rothman也表示这所大学适合我。”池天补充说，“所以我叮嘱学生，课题必须做到底，论文非顶刊不发。”

iMAP研发过程可谓“山高路远坑深”，但审稿过程却相当顺利。今年2月15日投稿，3月10日得到反馈，3月底补完实验，5月12日论文就被“原则上接收”，6月21日被正式接收。从论文“原则上接收”到正式接收这一个多月里，团队在期刊编辑的要求下，反复修改打磨论文，力图清晰展现iMAP革命性的一面。

要“坐得起冷板凳”

“静待花开终有时，不要去羡慕别人取得的成果，相信每一朵花开的背后都是你提前埋好了种子。”刘波这样分享他的科研感悟。

在充满挑战的科研生活中，荆征宇对自己的博士生涯做了一个总结。“我不仅学习了如何去解决一个问题，还发现科研本身就是一件非常有趣的事。虽然其过程总是伴随许多失败和挫折，但保持激情和投入足量的时间后，总会有所收获。”

而对博士生张校铭来说，实验的过程比结果更重要，“解决难题、不断简化流程、建立起一套新的体系……整个过程中我感受到自己能力的提升，这是我一直追求的。”

“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。”陈玉鑫非常怀念团队众志成城攻克难题的那段时光——池天老师富有冒险精神和探索精神，研究团队不畏艰难、通力合作，最终促成了iMAP的诞生。

“做得了钢铁侠，坐得起冷板凳。”池天引用上海科技大学校长江绵恒对该校首届研究生的新生寄语，“一剑八年，证明我们‘坐得起冷板凳’。上海科技大学有优良的双创基因，我们因此也‘做得了钢铁侠’，剑击病魔，造福人类。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.039