基因工程动物的研发与应用——“十二五”国家支撑计划项目“基因工程及特色实验动物模型研发与集成应用示范”研究成果

2017-10-13

随着现代科学技术的发展，传统的实验动物已经不能满足生命科学和生物技术发展的需要，科学家们应用现代生物技术（如转基因技术、基因打靶技术等），创造出具备遗传组成和特殊生物学特性的动物新品系和基因工程动物以适应现代科学技术需要。目前，我国实验动物资源与国际上常用的实验动物资源的保有量相比不到10%。据不完全统计，我国基因工程动物模型资源的缺口有5 000余种。以实验用小鼠为例，国际常用小鼠品系有2万多种，而我国已有品系小鼠不超过5 000种。我国基因工程动物资源的匮乏，在一定程度上制约了生命科学和医学等领域的科研进展。因此，结合我国生物医学领域研究的实际需求，建设基因工程动物平台、研发疾病动物模型对于生物医学领域的可持续发展具有重要意义。

2012年，“基因工程及特色实验动物模型研发与集成应用示范”获得国家科技支撑计划立项，是我国“十二五”期间实验动物领域的重点项目。该项目由武汉大学联合南京大学、中国医学科学院医学实验动物研究所、中国医学科学院基础医学研究所、中国科学院动物研究所5家单位牵头课题，17家单位共同参与完成，由武汉大学李红良教授担任项目负责人及总协调人。

一、研究内容

项目围绕我国在生命科学和人口健康发展的战略部署和全民基本医疗保健的需求，以重大疾病的基因组学、蛋白组学、代谢组学等研究成果为切入点，设定四方面研究内容：（1）建立人类重大疾病的小鼠疾病模型；（2）开发创新性的大鼠基因工程技术和建立大鼠疾病模型；（3）建立小型猪疾病模型；（4）形成资源集成、种质供应和信息库的共享体系。通过小鼠、大鼠和小型猪模型研制形成我国基因工程等实验动物模型开发与集成应用方面的优势实验室联合的技术平台，建设包括常规物种和我国特色物种实验动物模型研制的示范基地。通过疾病模型表型分析平台的专业化、标准化和数据库建设，形成包括我国大部分实验动物模型资源的资源集成、种质保存和供应、信息共享的示范基地。

二、主要成果

（一）扩充了我国基因工程大鼠、小鼠资源库，丰富了我国特色实验动物资源

项目组在国内率先开展基因敲除大鼠的研发工作，研发基因敲除大鼠300余品系（包括国际领先的条件性敲除大鼠），基因敲除与转基因小鼠1 000余品系，建立了135个小型猪G1诱变家系、5种转基因兔、3个中国地鼠标准化品系和1个近交中国地鼠品系等。上述基因工程及特色实验动物为我国生命科学领域研究提供了资源保障。由项目组成员单位南京大学建立了我国首个国家遗传工程小鼠资源库；通过采集相应的病理、生理和影像学信息，形成了基因工程小鼠模型信息库；通过小型猪的个体筛查、表型评价，形成了标准操作规程，建立了小型猪资源共享信息库；建立了中国地鼠微卫星文库，可用于开展中国地鼠的遗传质量检测；在一定程度上为我国生命科学研究提供了信息支撑。

（二）建立了成熟的基因敲除和转基因技术平台

采用TALEN和CRISPR/Cas9等前沿技术，建立了系统的转基因和基因敲除技术平台以及大/小鼠心血管疾病动物模型的标准化系统；建成了以提供基因工程大鼠、小鼠以及标准化的人类重大疾病动物模型和以相关检测为特色的科研服务平台；建立了功能较为完善的小型猪遗传修饰技术体系及转基因兔、地鼠等技术平台，实现了基因修饰动物研发的服务供应能力。同时，引进了我国急需的SPF祖系种鸡供应体系，解决了SPF蛋生产群退化的问题。上述基因工程及特色实验动物平台为我国生命科学研究提供了有力的技术平台支撑。

（三）为人类重大疾病的发病机制研究奠定了理论基础

项目研发出来的各种基因工程动物为阐明疾病的发生发展机制、探寻疾病的防治靶点与临床药物筛选等科学研究提供了标准化、规范化的小鼠心血管疾病动物模型和实验工作基础。这些具有重要应用和经济价值的人类重大疾病动物模型，对于推动生命科学和生物技术发展、提高人民健康水平具有重要意义。

三、应用情况

项目组建有成熟系统的基因打靶载体构建技术和专业的显微注射平台，尤其在基因敲除大鼠研制方面具有独特的优势。项目组具有我国最大的基因工程小鼠、大鼠资源库，迄今已为哈佛大学、耶鲁大学、多伦多大学、伦敦大学国王学院、天普大学、辛辛那提大学、阿斯利康制药有限公司、北京大学、清华大学、上海交通大学、复旦大学、武汉大学、华中科技大学、第四军医大学等国内外顶尖研发机构的相关实验室提供了模式动物服务，并获得普遍好评。近年来，累计为全国500余位研究人员提供了超过1 000次的遗传工程大鼠、小鼠资源服务工作，帮助缓解了我国基因工程动物资源缺乏的压力，为我国生命科学、医学等领域的科研工作提供了有力支撑。

团队研究介绍

项目负责人李红良教授带领的研究团队主要依托于武汉大学模式动物研究所、武汉大学动物实验中心/A3实验室、武汉大学心血管病研究所、武汉大学模式动物协同创新中心和武汉大学人民医院。研究团队所在基地建有成熟的分子生物学、细胞生物学、病理检测、分子检测、基因工程动物、动物模型、转化医学、A3/A2、资源库、高通量筛选十大科研平台。目前，拥有5名教授，11名博士后，25名博士、硕士研究生，82名专业技术人员，人员专业涉及分子生物学、遗传学、病理学、免疫学、医学微生物学、药理学、病毒学、临床检验、兽医学等多学科。

学术带头人李红良教授为武汉大学博士生导师、二级教授，武汉大学动物实验中心/A3实验室主任，武汉大学模式动物研究所所长，国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授、中青年科技创新领军人才、国家“万人计划”领军人才。李红良教授研究团队近年来已在Nat Med.、PNAS、Circulation、Hepatology、J Hepatol、Nature Commun、Circ Res、Cell Death Differ、Cell Res、Diabetes、Cardiovascular Res、Hypertention等国际杂志发表论文200多篇。获国家发明专利“IRF3基因在支架及内膜剥脱术后再狭窄中的功能和应用（专利号：ZL201410031627.3）、干扰素调节因子8（IRF8）在脑卒中疾病中的应用（专利号：ZL201410031606.1）、Toll作用蛋白（Tollip）基因在冠状动脉粥样硬化性心脏病中的应用（专利号：ZL201410142595.4）”等40项。团队成员作为项目负责人主持国家科技支撑计划多项，作为项目负责人获得国家杰出青年基金、国家自然基金重点项目、教育部留学归国人员基金、湖北省杰出青年基金、湖北省科技厅重大平台建设项目、武汉市学科带头人计划等项目支持，同时主持或参与了国家973重大基础研究计划以及国家新药创制等科技计划项目。

在李红良教授的带领下研究团队不仅在基因工程动物模型的研发与基地建设方面做出了突出贡献，还在系列心血管代谢性疾病的发生机制与防治研究方面取得突破性成果。

在基因工程动物的研发方面，团队自2008年创建了湖北省模式动物研究中心、武汉大学模式动物协同创新中心后，建立了系统而完善的转基因技术和基因敲除技术平台，建立并完善了大小鼠心血管疾病动物模型的标准化系统，并在国内首先开展基因敲除大鼠模型的研发工作。现已自主研发或合作研发基因工程小鼠1 000余个品系，自主研发基因敲除大鼠344个品系。以上动物资源的研发工作为我国生命科学、医学等研究领域提供了良好的支撑条件。近5年来为全国500余位研究人员提供了遗传工程大鼠、小鼠资源相关服务工作，帮助缓解了我国基因工程动物资源缺乏的压力，为我国生命科学、医学等研究领域发展提供了一定的技术支撑与资源保障。这些具有重要应用和经济价值的人类重大疾病动物模型，将对推动生命科学和生物技术的发展、提高人民健康水平产生重要的社会意义。

在疾病研究方面，过去10余年来，团队应用大量的临床标本，结合基因敲除、转基因动物模型，深入系统的探讨了天然免疫的网络通路对心血管代谢性疾病的作用及其分子机制。系列的研究发现天然免疫的网络通路对心血管疾病、代谢性疾病具有重要的影响作用。围绕天然免疫对心血管代谢性疾病的影响方向，已发表SCI论文120余篇。团队科研成果也得到了国际同行的认可，为心血管代谢性疾病的分子机制研究提供了独到的见解，并为探寻防治心血管代谢性疾病的新靶点提供了非常重要的实验室基础和理论依据。系列原创性的成果突显了基因工程大鼠、小鼠在心血管代谢性疾病中具有很好的推广与应用，揭示了该类疾病的发生发展机制，为临床防治心血管代谢性疾病提供了新思路与新靶点。