斑馬魚，因全身布滿多條深藍色條紋似斑馬而得名。這種不起眼的生物，卻是撬動許多學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)——其基因和人類基因相似度達87％，因此被應(yīng)用在生命科學(xué)、健康科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究中，與線蟲、果蠅、小鼠一樣，是常用的模式生物。

從2013年開始，在中國科學(xué)院院士朱作言、孟安明的號召下，國內(nèi)30多家實驗室先后加入“斑馬魚1號染色體全基因敲除聯(lián)盟”（ZAKOC）。經(jīng)過6年協(xié)作攻關(guān)，科學(xué)家針對斑馬魚1號染色體上的1333個基因進行系統(tǒng)性基因敲除，成功敲除了其中1029個基因，實現(xiàn)了中國斑馬魚資源庫“從0到1”的突破，也為相關(guān)學(xué)科開展研究奠定了基礎(chǔ)。

在國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展上，由中科院水生生物研究所（以下簡稱水生所）牽頭完成的這一成果——“建成自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模斑馬魚定向突變體庫”入選基礎(chǔ)研究展區(qū)，出現(xiàn)在生物科技相關(guān)成果的第一展板上。

國家斑馬魚資源中心1號主魚房

國家斑馬魚資源中心1號主魚房

做基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)

與小白鼠相比，斑馬魚繁殖力強、發(fā)育迅速、胚胎透明、體外受精、體外發(fā)育等生物學(xué)特征，更加便于科學(xué)研究。但在2012年前，國內(nèi)對斑馬魚的研究卻非?！靶”姟保挥猩贁?shù)實驗室在開展相關(guān)研究。

而在同一時期，美國、歐洲都建成了斑馬魚資源中心，澳大利亞等地區(qū)也建有斑馬魚庫。此前，歐美國家發(fā)起過幾次“從表型到基因型”的正向遺傳學(xué)突變體庫構(gòu)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(chǎn)權(quán)等原因，轉(zhuǎn)化研究更加受限。

“沒有斑馬魚研究作為基礎(chǔ)，許多學(xué)科基礎(chǔ)研究很難開展。”水生所研究員孫永華介紹，開展斑馬魚研究是許多“基礎(chǔ)研究工作的基礎(chǔ)”。因此，建立自己的斑馬魚資源庫和自主知識產(chǎn)權(quán)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水生所成立，主要任務(wù)就是為國內(nèi)收集、創(chuàng)制、整理、保藏和分享斑馬魚研究資源。

然而設(shè)立中心只是第一步，如何大規(guī)模創(chuàng)制和收集斑馬魚品系資源才是迫切需要解決的問題。幾個月后，新一代基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9系統(tǒng)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(shù)’剛被證實有效，大家敏銳地意識到這個技術(shù)能夠非常高效地定制我們所需要的斑馬魚品系?！睂O永華回憶道。

2013年2月，CRISPR/Cas9技術(shù)被成功應(yīng)用于斑馬魚。在朱作言、孟安明的召集下，水生所、清華大學(xué)、中科院動物研究所、北京大學(xué)等24家機構(gòu)的30多名學(xué)者迅速集結(jié)，組成了ZAKOC，開啟了“從基因型到表型”的斑馬魚大規(guī)模反向遺傳學(xué)篩選研究。

打造斑馬魚研究“國家隊”

“當(dāng)時大家已經(jīng)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?！北本┐髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授張博是該聯(lián)盟的發(fā)起人之一。她表示，盡管有很多不確定性，但意識到其中的戰(zhàn)略意義，國內(nèi)斑馬魚學(xué)界的力量很快以水生所為中心集結(jié)起來。

“大家一致認為要從斑馬魚的1號染色體開始敲?！睂O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(shù)量是25條染色體的平均數(shù)，作為樣本非常合適。

雖然大家的熱情高漲，但現(xiàn)實“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(shù)在當(dāng)時仍不成熟，極大限制了其基因功能研究。

“最大的挑戰(zhàn)在于沒有前人做過，這是‘基因剪刀技術(shù)’出現(xiàn)后，首次在脊椎動物身上大規(guī)模應(yīng)用，誰也不知道會發(fā)生什么，只能見招拆招?！彼呒壒こ處熍唆敎?014年加入項目，在她看來，正是大家毫無保留的互相幫助，才能“逢山開路，遇水架橋”。

據(jù)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?！睂O永華表示，經(jīng)常是某一家遇到瓶頸“敲不動”了，其他實驗室就主動領(lǐng)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(xié)調(diào)會，了解彼此進展，及時調(diào)整研究方案和策略?！熬哂袇f(xié)作精神是這支隊伍最大的特點。院士作為領(lǐng)銜科學(xué)家把控方向，各實驗室開展工作就能勁往一處使?！睂O永華說。

另一方面，作為一個自發(fā)的科研聯(lián)合攻關(guān)團隊，這項工作并沒有專項經(jīng)費支持。魚要吃飯，人要吃飯，實驗室也要運轉(zhuǎn)，都是最現(xiàn)實的問題。絕大部分時間里，能采取的方法只有一種：省吃儉用，自籌經(jīng)費。

“支撐大家堅持下去的，是作為中國科學(xué)家的責(zé)任感?！睆埐┨寡?，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?！巴ㄟ^參與這項研究，更多的青年科研人員掌握了最前沿的技術(shù)，成為我們的生力軍。”

回顧這幾年的工作，孫永華表示，科學(xué)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(fā)揮好建制化優(yōu)勢

經(jīng)過6年多的研究、前后四五百人的付出，中國科學(xué)家利用CRISPR/Cas9技術(shù)，針對斑馬魚1號染色體上的1333個基因進行系統(tǒng)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(xiàn)了脊椎動物整條染色體的系統(tǒng)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(zhì)資源庫——國家斑馬魚資源中心對學(xué)術(shù)界公開。不僅引領(lǐng)了國際斑馬魚表型組研究，而且建成了我國首個大規(guī)模斑馬魚定向突變體庫。中國的國家斑馬魚資源中心也成為公認的國際三大斑馬魚資源庫之一。

張博表示，回顧過去幾年的付出，一切都是值得的。伴隨著這一計劃，中國的斑馬魚學(xué)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(xué)者回國建設(shè)實驗室。據(jù)統(tǒng)計，2020年，我國的斑馬魚研究產(chǎn)出的全球占比已超過29%，成為全球產(chǎn)出體量第一的國家。

“協(xié)作是項目成功的重要原因，幾十家實驗室共同協(xié)作完成這樣一項工作，在國內(nèi)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，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?！鞍唏R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、保藏等流程，為后續(xù)開展更大規(guī)模的斑馬魚反向遺傳學(xué)篩選計劃奠定基礎(chǔ)?！睂O永華說。

“這項自發(fā)性協(xié)作研究，以斑馬魚1號染色體全基因敲除計劃為源頭，團結(jié)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(fā)育、代謝、毒理等方面的基礎(chǔ)研究，以及其在生物技術(shù)創(chuàng)新、藥物研發(fā)、水產(chǎn)育種、水環(huán)境效應(yīng)評價等領(lǐng)域的應(yīng)用研究；以該團隊為核心，承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃中‘斑馬魚發(fā)育與代謝突變體庫的系統(tǒng)創(chuàng)制’項目，并在相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的潛質(zhì)?！彼L殷戰(zhàn)表示。

正如中國的斑馬魚領(lǐng)域的科研工作一樣，如今中國的科研逐漸由并跑邁向領(lǐng)跑階段，更需要能動性地發(fā)揮出建制化、大團隊協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢，聚焦基礎(chǔ)領(lǐng)域，開展全鏈條、跨部門協(xié)同攻關(guān)，為實現(xiàn)高水平科技自立自強提供有力保障。