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蛋白质整体功能的在体遗传操作新技术标书项目名称:蛋白质整体功能的在体遗传操作新技术新方法研究首席科学家:吴强上海交通大学起止年限::中国科学院一、研究内容生物活体是生命活动体现的物质基础,也是最复杂最重要的研究蛋白质功能的对象。遗传操作是研究蛋白质活体功能最重要的方法之一。2007年诺贝尔奖授予的小鼠反向遗传学基因打靶技术有力地推动了蛋白在体功能研究。由于生命体经过亘古的进化选择,蛋白质家族在活体系统中形成了复杂的功能冗余性和表达协同性。由于正向遗传学突变和筛选的局限性,反向遗传学在研究蛋白质在体功能发挥着越来越重要的作用。在小鼠和果蝇模式生物中,基因打靶技术相继产生,有力地推动了生命科学的研究,但是现有基因打靶技术主要是单位点基因敲除,耗时费力而且效率还有待提高。本项目的总体设想是:以开发快速基因打靶方法为主线,以研究重要蛋白家族整体在体功能为核心目标,以小鼠和果蝇为脊椎动物和无脊椎动物的代表性模式生物,拟开发出高效实用的在体DNA大片段打靶新技术新方法,为蛋白质整体在体功能的研究提供高起点的技术平台,有力推动国家中长期蛋白质研究重大科学研究计划向前发展。本项目拟解决的关键科学问题是:开发快速基因打靶和在体DNA大片段基因打靶新技术新方法,推动我国小鼠和果蝇模式生物反向遗传学的发展,为国家蛋白质研究重大科学研究计划提供强有力的技术支撑体系。重点选择神经系统,表观遗传,以及肿瘤抗原等方面的重要功能蛋白质家簇进行新技术新方法开发研究。例如,我们选取了神经系统原钙粘蛋白和嗅觉受体蛋白质家族进行在体DNA大片段定向敲除的开发研究,这些蛋白质家族在脑发育和脑认知、神经连接复杂性和特异性、以及小鼠行为中具有重大科学意义,但其在体的整体功能研究又是瓶颈问题,我们试图在了解神经系统重要蛋白家族在体功能的基础上,认识神经系统的复杂性,可靠性以及其高度可塑性,为建立人类精神疾病的小鼠模型提供实验基础和技术平台,为将来治疗人类神经系统疾病提供有用实验依据。神经系统是最复杂的生命系统,在与环境的相互作用过程中具有高度适应性,同时神经系统在发育和脑认知过程中也具有高度可塑性。表观遗传和肿瘤发生也是生命科学研究的重大问题。我们所选取的主要研究目标是具有良好工作基础和重大科学意义,经过努力可以实现功能研究重大突破的蛋白质家簇。本项目将以小鼠和果蝇为模式生物,以神经系统重要细胞粘附和信号传导膜蛋白、表观遗传组蛋白和黑色素肿瘤抗原蛋白家族在体研究为模式蛋白质家族,来开发DNA大片段定向敲除新技术新方法。编码这些蛋白质家族的基因通常是复杂的基因族,往往形成巨大的串联阵列,同时这些基因又具有高度相似性,其所编码的蛋白家族在漫长的进化过程中形成功能重复性和冗余性,因此蛋白质家族整体功能的在体功能研究具有重大挑战性。以基因打靶研究蛋白质在活体系统中的功能是国际上生命科学和生物技术的热点,小鼠和果蝇基因打靶技术是蛋白质在体功能研究最尖端技术之一。本项目的主要研究内容是:hi教授的小鼠基因打靶技术和KentGolic教授的果蝇基因打靶技术为基础,提高单位点基因打靶的效率,试图了解基因打靶在脊椎动物和无脊椎动物中的一般规律,为勾勒模式生物基因打靶全景图提供科学依据,并深入分析高效DNA大片段定向敲除的条件,建立在体DNA大片段定向敲除新技术新方法,为蛋白质研究重大科学研究计划提供强有力的模式生物反向遗传学技术平台基础。二、预期目标总体目标:整合我国目前蛋白质在体功能研究反向遗传学领域的部分优势力量,综合利用国家蛋白质功能研究的成果积累,结合国际尖端小鼠和果蝇基因打靶技术,力争在DNA大片段定向打靶新技术新方法方面取得重大突破,为我国蛋白质研究重大科学研究计划提供国际领先的技术平台体系。重点选择在复杂神经系统细胞连接和信号传导,表观遗传和肿瘤疾病等方面具有重大科学意义,经过努力有望取得功能研究重大突破的蛋白质家族,对其整体的在体功能进行深入系统的研究,为阐明神经系统的复杂性和可塑性、表观遗传和肿瘤发生机理提供理论依据,为将来治疗人类疾病提供有用的实验数据。本项目以开展蛋白质在体功能国际前沿研究为目标,总体上力争开发出小鼠和果蝇高效实用的DNA大片段定向打靶新技术新方法,整体上达到国际先进水平并在某些技术领域处于国际领先地位,在蛋白质在体研究的国际前沿占有一席之地,开创我国利用反向遗传学进行蛋白质功能研究的新局面。项目五年预期目标:在技术方面,力求开发高效的在体DNA大片段定向打靶新技术新方法,突破目前体外方法的技术瓶颈和局限。同时努力提高现有单位点基因打靶方法技术的效率,以大大缩短基因打靶的周期;在理论方面,探讨小鼠和果蝇DNA大片段定向打靶的基本规律;在人才培养方面,培养出更多的具有蛋白质组学、基因组学、遗传学、神经生物学、肿瘤生物学和分