清华大学973标书-动物模型

973课题：利用模式动物研究遗传性出生缺陷的发生机理－－－孟安明清华大学

一、研究内容

1. 大规模诱变产生神经系统和心脏发育突变体并定位突变基因

果蝇、斑马鱼和小鼠都适于进行大规模诱变研究，我们将通过ENU诱变技术、P-转座子插入诱变技术、反转录病毒插入诱变技术创造大量的神经系统和心脏发育突变体，建立起我国自己的出生缺陷模式动物资源库。我们将用果蝇筛选心脏发育缺陷和神经病变的突变体，用斑马鱼筛选头部和心脏发育缺陷的突变体，用小鼠筛选神经系统缺陷的突变体。对这些突变体的表型（包括伴生性其它缺陷）进行详细的分析，并从突变体中克隆突变基因。

2. 研究神经系统和心脏发育的基因调控网络

利用获得的突变体,检测相关已知基因的表达谱是否发生改变；利用差减杂交、mRNA差异显示、DNA芯片、质谱分析等技术发现在突变体胚胎和正常胚胎中差异表达的新基因；利用酵母双杂交、亲和层析等技术寻找与突变基因编码产物互作的新因子；通过报告基因系统、转基因等途径研究相关基因之间的上下游关系和调控机理。通过这些研究将不断地发现与神经系统和心脏发育相关的新基因、甚至新的信号通路，并不断充实这些信号通路和基因所涉及的调控网络。

3. 对在早期神经系统和心脏中表达但功能未知基因的功能研究

选择一些在早期神经系统和心脏中表达、可能与TGF、Wnt和Fgf信号通路相关、而在相关组织器官发育中的功能不明确的基因，利用动物基因敲除技术、靶基因选择诱变技术和转基因技术等研究它们的生物学功能；本项目筛选出的新基因（包括人和动物的）也将用这些方法进行研究。这类反向遗传研究不仅可以阐明基因的功能，从分子水平上更深入地了解神经系统和心脏发育的机理，也将产生许多人类神经系统出生缺陷和先天性心脏病的动物模型。

4. 分析我国神经系统缺陷和先天性心脏病新生儿的致病机理

收集神经系统缺陷和先天性心脏病新生儿家系样本；选择可引起模式生物神经系统或心脏发育缺陷的基因，通过基因信息学方法查寻人类同源基因，用这些基因作为候选基因，利用关联分析和连锁分析等手段定位相应出生缺陷儿的致病基因。利用差减杂交和DNA芯片等技术，比较正常流产胎儿和死亡畸形胎儿基因表达差异，寻找出在相关组织中特异表达的一些功能未知基因，再在动物上通过突变和转基因等研究它们的功能。

二、预期目标

总体目标：

出生缺陷是影响我国人口素质的一个重要因素，并造成严重的社会和经济负担。本项目将充分综合利用小鼠、斑马鱼、果蝇的取材及遗传操作性的优势，以在我国高发的神经系统缺陷和先天性心脏病为主攻方向，一方面高通量筛选建立出生缺陷的动物模型，发现在神经管形成和分化及心脏发育中起重要作用的新的信号通路和新的基因，深入了解它们发挥其功能的分子机制和调控网络，推动我国发育生物学学科的发展；另一方面结合临床样品，分析它们与出生缺陷的关系，从而更全面、系统地认识神经系统缺陷和先天性心脏病的分子基础，为我国的人口出生缺陷研究提供新的理论、检测技术和个性化预防措施；促进我国在人口出生缺陷研究领域与国际前沿接轨，形成能够持续进行创新性研究的能力；取得一批重要的、具有独立知识产权的研究成果，在国际同类领域占有一席之地；同时培养一批高水平研究人才，保障开展高水平研究的持续性。

五年目标：

1. 收集大量的神经系统缺陷和先心病患者家系样本，定位5-10个突变基因，建立一些检测技术。

2. 进一步完善小鼠、斑马鱼、果蝇的诱变筛选和功能研究技术平台,建设我国的这几种模式动物的遗传资源库；收集大量的先天性心脏病和早期神经系统缺陷家系样本。

3. 通过高通量、大规模诱变的正向遗传操作，创造150-200个先天性心脏病、神经系统缺陷的动物模型；结合反向遗传学操作，确定50个以上的新基因的功能或已知基因的新功能。

4. 利用先天性心脏病、神经系统缺陷的动物模型，进行基因相互作用调控网络的分析，发现几条新的信号通路，并由此获得更多的新基因，进一步充实神经系统发育和心脏发育等过程的基因调控网络。

5. 在国际主流杂志（IF>3）上发表论文80-100篇，并争取在Nature、Science、Cell上发表2－3篇论文，申请发明专利10项以上。

6. 在发育生物学和遗传性出生缺陷研究领域造就一支高水平的科研队伍，培养一批博士研究生（50-80人）、硕士研究生（30-50）和博士后研究人员（>30）

三、研究方案

（一）总体思路和技术路线

本项目的中心学术思想是充分利用模式动物的优势，从分子、细胞和个体水平阐述早期神经系统和心脏等发育过程的基因调控网络，了解各节点的失控与神经系统发育缺陷和先天性心脏病的关系，着眼于相关出生缺陷的检测和预防。在技术上采用“四结合”的策略，即反向与正向遗传分析相结合、动物研究与人类临床研究相结合、点－面－网相结合、不同模式动物相结合，从而保证本项目的研究既有深度、又有广度，能够不断产生有创新性的、有自主产权的研究成果，有持久发展的潜力，既能取得理论性的成果、又能够指导临床诊断。

本项目的总体技术路线汇总如图：

反向与正向遗传分析相结合：所谓正向遗传分析是指从表现型（功能）发现基因的分析，而反向遗传分析是指从基因研究其功能的分析。在这两方面模式动物都具有优势。在正向遗传分析方面，本项目将利用化学诱变剂和外源DNA插入诱变法，在小鼠、斑马鱼和果蝇上创造大量的神经系统和心脏发育突变体，；从突变体中定位和克隆出突变基因，通过分析在突变体胚胎中表达正常基因能否修复突变体的病理表型来确认基因的功能；另一方面，从人的相关出生缺陷的临床样品中鉴定克隆突变基因。在反向遗传分析方面，遴选TGF、Wnt、Fgf信号通路上的一些功能不明的基因，以及从相关的动物突变体和出生缺陷儿筛选出表达异常的基因，然后利用基因敲除、转基因、反义寡核苷酸抑制等技术研究它们在神经系统和心脏发育中的功能。

动物研究与人类临床研究相结合：本项目将把在模式动物上找出的影响神经系统和心脏发育的重要基因，用做候选基因去鉴定人类出生缺陷的基因。另一方面，从人类出生缺陷儿鉴定出的新基因，将利用模式动物来研究它们的作用机制。同时，获得的动物疾病模型将来还可以用来筛选治疗性药物。

点－面－网相结合：组织器官的形成和分化通常涉及多条信号通路和许多的基因，它们在一个大的调控网络中相互作用。我们通过改变单个基因获得一种出生缺陷的动物模型（突变体）后，将通过差减杂交法、mRNA差异显示法、DNA芯片、蛋白质组学分析等方法发现表达谱发生了改变的新基因，也将利用酵母双杂交等方法克隆与突变基因互作的基因，然后通过基因过量表达、基因敲除、报告基因分析等分子生物学、细胞生物学和生物化学手段研究这些基因之间的相互作用关系，从而不断充实有关发育途径的基因调控网络，最终希望能通过找到影响发育和疾病网络的关键节点，来解决有关疾病的遗传异质性问题。

不同模式动物相结合：本项目选用三种不同的模式动物，它们各具优点。果蝇具有耗资少、传代快，很容易产生数以千计的突变家系，适于大规模的筛选和基因功能的初步研究，其缺点是它代表无脊椎动物，其某些组织器官的结构与人的相差较远。斑马鱼是脊椎动物，与人的进化关系更进一步；其胚胎透明，在母体外发育，易于观察发育过程；它还具有超强的繁殖能力，可以进行大规模随机诱变筛选隐性突变体，易于进行基因干涉研究，也适合做药物筛选活体系统；其缺点是对基因组中特定基因的定向突变非常繁琐。小鼠是哺乳动物，在组织器官结构上与人的更相似，有成熟的基因敲除技术，也可进行随机诱变筛选突变体，但因其繁殖力较低，筛选隐性突变体较困难，同时还有养殖成本高、观察胚胎不方便等缺点。不同的物种上，易于诱变的基因位点可能也有所不同。在本项目的研究中，我们将利用三种模式动物的互补性和基本发育机制的相同性，用不同的物种对重要基因的作用机制进行相互验证，以期快速得到准确、可信的研究结论。

（二）创新点与特色

尽管迄今已经定位出一些人类神经系统和心脏出生缺陷的致病基因，也已获得这些出生缺陷的部分动物模型，但目前对神经系统和心脏等的早期发育的分子机制还知道得很有限，并且很多人类神经系统和心脏出生缺陷的遗传因素还有待发现。我们利用模式动物人工诱变的随机性和规模化以及其它的遗传操作性，从源头和基础做起，可望发现影响神经系统和心脏发育的许多新的信号通路和新基因，建立和不断充实有关的基因调控网络，取得一批具有独立知识产权的成果。本项目将分子、细胞研究与动物个体研究相结合，获得的研究结论更真实可靠。如前一部分所述，我们将充分利用不同模式动物的优势互补性，综合利用各种分子、细胞和遗传学等手段，重视点－面结合，从而保证创新研究的持久性和高产出率。本项目还重视动物研究与临床研究结合，二者互动，将促进阐明我国高发性出生缺陷的分子机制。