《Cell》：世界首張小鼠微型“擾動圖譜”，解密基因功能

7月22日，上海科技大學生命學院池天課題組在《細胞》（Cell）雜志在線發表論文，報道了一種嶄新的小鼠基因打靶技術iMAP（inducible Mosaic Animal for Perturbation），快速鑒定了90個基因在39種組織的基本功能，構建了世界首張小鼠微型“擾動圖譜”。

早在2001年，國際人類基因組計劃就公布了人類基因組序列。但目前為止，約兩萬個哺乳動物蛋白編碼基因在500多種細胞中的功能仍不為人知，這嚴重妨礙了疾病的診斷和治療。要系統性地解碼全部基因在全部細胞中的功能，必須將其分別在各種細胞中敲除（擾動）再鑒定其細胞表型，即描繪完整的“擾動圖譜”。這個圖譜的完成，將成為生物醫學研究的分水嶺：此后，要探索任何基因的基本功能，將會像查找基因序列一樣簡單。但用傳統的基因打靶方法，無法快速有效地描繪擾動圖譜，成為功能基因組學領域久攻不下的瓶頸。池天課題組里程碑式的成果為描繪完整擾動圖譜邁出了從0到1的第一步。

iMAP融合了Cre-loxP和CRISPR-Cas9技術，其核心組成部分是一個轉基因序列，它由U6啟動子和下游一串gRNA表達單位構成。轉基因通常只表達第?個sgRNA，而利用藥物（他莫昔芬）激活Cre，導致轉基因重組，可使其余的sgRNA也得以表達，但每個細胞只隨機表達其中?個。這些sgRNA可在Cas9的幫助下敲除相應的靶基因，從而將小鼠轉化為嵌合體。這種嵌合體可立即用于描繪擾動圖譜，也可迅速、廉價地繁育出多種傳統的單基因敲除品系。該品系不但可用于特定靶基因的后續深入研究，更可用于個體水平的表型篩選，從而與嵌合體優勢互補，共同加速基因解碼。

圖1.iMAP原理

研究團隊首先構建了一個iMAP品系，它攜帶61個gRNA表達單位，共靶向6個功能已知的標志基因。該品系證明了iMAP的魯棒性，包括展示轉基因起碼能穩定傳13代。隨后構建的iMAP品系攜帶100個gRNA表達單位，靶向90個功能不甚清晰的基因，以此構建了一個微型擾動圖譜，揭示了這90個基因分別在39個組織/細胞中對細胞存活、擴增、分化的影響。

不但如此，研究團隊還證明，一個iMAP品系的確可以衍生出多個傳統的單基因敲除品系。

該成果論文題為“Large-Scale Multiplexed Mosaic CRISPR Perturbation in the Whole Organism”。生命學院池天課題組2016級博士劉波（已畢業）、2018級博士生荊征宇、2019級博士生張校銘、2014級博士陳玉鑫（已畢業）、2015級博士毛少帥（已畢業）為本文共同第一作者，池天教授為唯一通訊作者。上海科技大學為第一完成單位。