特别关注丨中国斑马鱼科学家联盟公布斑马鱼1号染色体全基因敲除研究成果

随着斑马鱼全基因组测序的完成【3】和CRISPR/Cas9等基因组编辑技术的成熟【4,5】，规模化靶向构建基因敲除突变体库，系统开展“从基因型到表型”的斑马鱼反向遗传学研究成为可能。

近日，来自中国科学院水生生物研究所、清华大学、中国科学院动物研究所、北京大学等24家机构的学者组成斑马鱼科学家联盟，在Genome Research杂志上发表文章Systematic genome editing of the genes on zebrafish Chromosome 1 by CRISPR/Cas9，公布了“斑马鱼1号染色体全基因敲除计划”的研究成果【6】，这是国际上首次大规模的斑马鱼反向遗传学突变体库构建和遗传筛选计划。

2010年以来，中国的斑马鱼研究飞速发展，中国占全球斑马鱼研究的体量从2010年的11.7%急速增长为2018年的25.2%（图1）。

图1  全球主要斑马鱼研究国家的斑马鱼研究体量示意

顺应这种发展，国内斑马鱼学界迫切需要建立具有自主知识产权的突变体库。2013年2月，当CRIPSR/Cas9技术刚刚被成功应用于斑马鱼之际【4,5】，在朱作言院士和孟安明院士等号召下，来自全国24家机构的30多名斑马鱼学者齐聚北京大学，成立“斑马鱼1号染色体全基因敲除联盟（Zebrafish All Genes KO Consortium for Chromosome 1, ZAKOC）”。联盟成员遵循“自愿加入”的原则，在没有专项经费支持的情况下，克服重重困难，自筹经费启动“斑马鱼1号染色体全基因敲除计划”（对国内斑马鱼研究领域来说，一个利好消息是，2019年国家重点研发计划“斑马鱼发育与代谢突变体库的系统创制”已经立项，由中国科学院水生生物研究所牵头，项目总经费3426万，计划由7个子课题单位组织并系统性构建1000个斑马鱼基因的敲除突变体品系。）。

ZAKOC先后于2013年6月在青岛（图2），2013年12月在广州，2014年10月在武汉，多次召开阶段性进展研讨会。在这些研讨会上，ZAKOC根据研究进展及时调整研究方案，至2016年底主体研究工作终于告一段落。此后，在孟安明院士和朱作言院士的指导下，中科院水生所孙永华研究员、中科院动物所刘峰研究员、北京大学张博教授等人耗时2年时间，对项目产生的所有资源和数据进行系统整理，并最终成文。

图2  ZAKOC第一次进展研讨会（2013年6月，青岛）

此次发表在Genome Research的论文，报道了该联盟针对斑马鱼1号染色体上的1333个基因进行系统性基因敲除，其中1029个基因获得成功敲除。该计划产生了目前学术界最大规模的经实验验证的有效和无效gRNA靶位序列库，这包括1086个有效gRNA靶位和1191个无效gRNA靶位。通过详实的数据分析，论文揭示了gRNA的敲除效率与其靶位GC含量呈现密切的正相关性（图3），为日后基因组编辑中gRNA设计提供重要指导。ZAKOC共获得针对636个基因的1039个可传代的突变型，所有突变品系和遗传信息均通过国家水生生物种质资源库——国家斑马鱼资源中心对学术界公开（http://www.zfish.cn/TargetList.aspx）。在所有的突变基因中，约1/4与人类疾病密切相关，因此该计划为生命科学和医学科学领域提供了大量可供研究和筛选的斑马鱼人类疾病模型。该论文同时还展示了几个有代表性的突变体及其表型，发现了纯合突变体与基因敲降的表型不一致，进一步丰富了最近发现的“遗传补偿效应”理论。

图3  所有测试的gRNA靶位中12个碱基的种子序列中GC含量分析

该论文成果首次实现了脊椎动物整条染色体的系统性基因敲除，诞生了我国第一个大规模斑马鱼定向突变体库，对我国的相关科学研究具有重要价值，将进一步推动和引领国际斑马鱼表型组研究。论文的第一作者为中科院水生所孙永华研究员，通讯作者为中科院动物所刘峰研究员、清华大学孟安明院士和中科院水生所朱作言院士。

图4  斑马鱼1号染色体全基因敲除计划示意图