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國家斑馬魚資源中心1號主魚房
斑馬魚 水生所供圖
斑馬魚，因全身布滿多條藍色條紋似斑馬而得名。這種并不起眼的生物，卻是撬動許多學科發展的基礎：其基因和人類相似度達到87％，廣泛應用在生命科學、健康科學和環境科學等研究中，與線蟲、果蠅、小鼠并稱四大模式動物。
從2013年開始，在中國科學院院士朱作言、孟安明的號召下，國內30多家實驗室先后加入到斑馬魚1號染色體全基因敲除聯盟。經過6年協作攻關，科學家針對斑馬魚1號染色體上的1333個基因進行系統性基因敲除，成功敲除了其中1029個基因，實現了中國斑馬魚資源庫“從0到1”的突破，也為相關學科開展研究奠定了基礎。
在國家“十三五”科技創新成就展上，由中國科學院水生生物研究所（以下簡稱水生所）牽頭完成的這一成果——“建成自主知識產權的大規模斑馬魚定向突變體庫”入選基礎研究展區，出現在生物科技相關成果的第一塊展板上。
做基礎研究的基礎
與小白鼠相比，斑馬魚的繁殖力強、發育迅速、胚胎透明、體外受精、體外發育等生物學特征，更加便于科學研究。但在2012年之前，國內對斑馬魚的研究卻非常“小眾”，只有少數實驗室在開展相關研究。
而在同一時期，美國、歐洲都建成了斑馬魚資源中心，中國臺灣、澳大利亞等地區也都建有斑馬魚庫。此前，歐美國家發起過幾次“從表型到基因型”的正向遺傳學突變體庫構建和篩選計劃，但這些突變體全部保藏在國外，中國科研人員很難獲取，加之知識產權等原因，轉化研究更加受限。
“沒有斑馬魚研究作為基礎，很多學科的基礎研究也很難開展。”中科院水生所研究員孫永華介紹，開展斑馬魚的研究是許多“基礎研究工作的基礎”。 因此，建立自己的斑馬魚資源庫和自主知識產權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中科院水生所成立，主要任務就是為國內收集、創制、整理、保藏和分享斑馬魚研究資源。
然而設立中心僅僅是第一步，如何大規模創制和收集斑馬魚品系資源才是最迫切需要解決的問題。幾個月后，新一代基因編輯技術CRISPR/Cas9系統問世，讓中國斑馬魚研究人員看到了曙光。“那時，‘基因剪刀技術’剛剛被證實有效，大家敏銳地意識到這個技術能夠非常高效地定制我們所需要的斑馬魚品系。”孫永華回憶道。
2013年2月，CRISPR/Cas9技術被成功應用于斑馬魚。在朱作言院士、孟安明院士的召集下，來自中科院水生所、清華大學、中科院動物研究所、北京大學等24家機構的30多名學者迅速集結，組成了“斑馬魚1號染色體全基因敲除聯盟（ZAKOC）”，開啟了“從基因型到表型”的斑馬魚大規模反向遺傳學篩選研究。
凝練斑馬魚研究“國家隊”
“當時大家已經意識到，斑馬魚是一種很重要的實驗材料。只有中國積累起足夠的實力，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。” 北京大學生命科學學院教授張博是該聯盟的發起人之一。她表示，盡管有很多不確定性，但意識到其中的戰略意義，國內斑馬魚界的力量很快以中科院水生所為中心集結起來。
“中國人喜歡從‘1’開始，大家也一致認為要從斑馬魚的1號染色體開始敲。”孫永華表示，斑馬魚有25條染色體，其中1號染色體有1300多條基因，基因數量是25條染色體的平均數，作為樣本非常合適。
雖然大家的熱情很高漲，但現實同樣“捉襟見肘”。
一方面，作為重要的模式動物，斑馬魚的基因敲除技術在當時仍不成熟，極大地限制了其基因功能研究。
“最大的挑戰在于沒有前人做過，這是‘基因剪刀技術’出現后，首次在脊椎動物上大規模應用，誰也不知道會發生什么，只能見招拆招。”中科院水生所高級工程師潘魯湲2014年加入項目，在她看來，正是大家毫無保留的互相幫助，才能不斷“逢山開路，遇水架橋”。
據介紹，先后有30多家實驗室參與項目，實驗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。”孫永華表示，經常是某一家遇到瓶頸敲不動了，其他實驗室就主動領回來接著敲。
每隔一段時間，所有參與計劃的科研人員還會相互邀約，舉行項目協調會，了解彼此進展，及時調整研究方案和策略。“協作精神是這支隊伍最大的特點。院士作為領銜科學家把控方向，各實驗室開展工作也能勁往一處使。”孫永華說。
另一方面，作為一個自發的科研聯合攻關團隊，這項工作并沒有專項經費支持。魚要吃飯，人也要吃飯，實驗室也要運轉，都是最現實的問題。絕大部分時候，能采取的方法只有一種：省吃儉用，自籌經費。
“支撐大家堅持下去的，是作為中國科學家的責任感。”張博坦言，僅她所在的實驗室，前后就有二三十人參與到這項工作中。大部分人都是幕后英雄，尤其是研究生們。“但通過參與這項研究，讓更多的青年科研人員掌握了最前沿的技術，成為我們的生力軍。”
回顧這幾年的工作，孫永華表示，科學探索本就充滿不確定性，但通過這項研究計劃，凝聚、鍛煉了一支科研隊伍，“這是我們最大的收獲”。
發揮好建制化優勢
經過6年多的研究，前后四五百人的付出，中國科學家利用CRISPR/Cas9技術，針對斑馬魚1號染色體上的1333個基因進行系統性基因敲除，成功敲除了其中1029個基因，獲得針對636個基因的1039個可傳代的突變型，首次實現了脊椎動物整條染色體的系統性基因敲除。
所有突變品系和遺傳信息全部通過國家水生生物種質資源庫——國家斑馬魚資源中心對學術界公開。不僅引領了國際斑馬魚表型組研究，而且誕生了我國首個大規模斑馬魚定向突變體庫。中國的國家斑馬魚資源中心也被公認為國際三大斑馬魚資源庫之一。
“從被哺乳到反哺，話語權就不一樣了。”張博表示，回頭看過去幾年的付出，一切都是值得的。伴隨著這一計劃，中國的斑馬魚學界不但完成了從0到1的突破，更搭建起一個平臺，吸引眾多海外青年學者回國建設實驗室。據統計，2020年，我國的斑馬魚研究產出的全球占比已超過29%，成為全球產出體量第一的國家。
“協作是項目成功的重要原因，幾十家實驗室共同協作完成這樣一項工作，無論國內國外，都是不多見的。”對于潘魯湲和她的同事們來說，最直觀的工作體驗是從北京到廣州、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，中科院水生所也通過這一計劃，建立起了斑馬魚品系保藏體系，并整合出一套工作流程，還鍛煉培養了一支技術過硬、富有經驗的團隊。“斑馬魚1號染色體敲除計劃是一個開始，幫我們理清了收集、驗證、保藏等等流程，為后續開展更大規模的斑馬魚反向遺傳學篩選計劃奠定基礎。”孫永華說。
“通過這項自發性協作研究的開展，以斑馬魚1號染色體全基因敲除計劃為源頭，團結和凝聚了中國以斑馬魚作為模式動物開展研究的群體，進一步促進了以斑馬魚為對象在發育、代謝、毒理等基礎研究，以及其在生物技術創新、藥物研發、水產育種、水環境效應評價等領域的應用研究；以該團隊為核心，承擔了國家重點研發計劃中‘斑馬魚發育與代謝突變體庫的系統創制’項目，并在相關產業應用中正展現出良好的潛質。”中科院水生所所長殷戰表示。
如今，正如中國的斑馬魚領域的科研工作一樣，中國的科研能力逐漸由并跑邁向領跑階段，更需要能動性地發揮出建制化、大團隊協同作戰優勢，聚焦基礎領域，開展全鏈條、跨部門協同攻關，才能為實現高水平科技自立自強提供有力保障。
（刊于《中國科學報》 2021-12-24 頭版頭條，網址鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/u4kL2ZwO3hB9S830vm-UoQ）