南湖多多棋牌招商网

首页 > 多多棋牌招商 > 人才培养 > 正文

【聚八方硕彦】三维基因组学团队:让学科交叉研究开出绚丽之花

核心提示: 作为基因组学研究的热点前沿领域之一,三维基因组技术是目前研究生物遗传机理的“金钥匙”。华中农大三维基因组学团队自2015年创建以来,与校内多个研究团队开展深入交叉科学研究,首创Long-read ChIA-PET和DLO Hi-C等技术体系,绘制出多个物种的三维基因组图谱,并在国际重要科技期刊上颁发了多篇研究成果,引起了国表里学者的高度关注。

探索基因组学的神奇奥秘,一直是人类不懈追寻的梦想。

作为基因组学研究的热点前沿领域之一,三维基因组技术是目前研究生物遗传机理的“金钥匙”。华中农大三维基因组学团队自2015年创建以来,与校内多个研究团队开展深入交叉科学研究,首创Long-read ChIA-PET和DLO Hi-C等技术体系,绘制出多个物种的三维基因组图谱,并在国际重要科技期刊上颁发了多篇研究成果,引起了国表里学者的高度关注。

从起步到在华中农大的落地生根,再到在世界范围内产生必然影响力,其背后经历了怎样的探索历程?一系列科研成果的取得,背后又有着怎样的故事?  

我校三维基因组学研究团队部分成员合影(陈治国 摄)

我校三维基因组学研究团队部分成员合影(陈治国 摄)

一个基因梦想,牵动海表里学者

随着人类基因组计划的完成,科学家对基因序列信息有了前所未有的认识。但随着基础科学和临床应用的发展,科学家也发现了很多无法单纯通过线性序列信息解释的遗传和表达调控现象。细胞核立体空间中的基因组表达调控逐渐进入了人们的视野,三维基因组学的概念也应运而生。

2009年,得益于二代基因组测序技术蓬勃发展,高通量三维基因组学研究得以萌发。彼时李国亮所在的新加坡基因组研究团队,首创开发了三维基因组学ChIA-PET技术,他们深知,这项破解遗传机理“关键钥匙”的技术,对未来生物学研究发展极端重要。作为该研究团队的核心骨干,彼时已在国际上崭露头角的李国亮,时刻想着将这些新理论和技术系统引进中国。

2012年,李国亮来华中农业大学参加学术交流,并受到我校热情邀请来校任教。对在国外整整待了10余年的李国亮而言,“回国不需要理由,不回国才需要理由。”他希望能够参与到国家的伟大发展中,到更需要本身的地方去,而不是只作为一个“看客”。2013年,李国亮放弃国外优厚的待遇,毅然加盟华中农业大学生物信息学团队。

“让三维基因组学在华中农大落地生根、蓬勃发展!”这是李国亮加入华农后的第一个心愿。而事实上,要实现这个心愿并非易事。“三维基因组学是多学科、多技术融合催生的产物,当时在国内还是一个崭新的研究领域。要想在此领域有所突破,至少要花上几年功夫,而在当时的环境下,几年下来能否成功都是未知数。”李国亮回忆说。

尽管如此,李国亮依然坚信,在华农这片沃土之上,三维基因组学必定能发展起来。“在美国NIH已经抢先启动人类三维基因组计划的情况下,中国及时启动重要动植物的三维基因组计划很有必要。我们要让校内、国内同行、科技部和基金委等都能意识到,三维基因组学是生命科学的最新发展趋势,希望中国能够成为作物、农业动物的三维基因组学计划的领衔者。”

2014年,怀着这份赤子之心,李国亮多方奔走于国内各大高校、中科院、科技部和基金委,主动与国内众多基因组学学者交流。在他的努力下,华中农业大学牵头举办了首届三维基因组学的学术研讨会,也正是这次研讨会,让三维基因组学研究在许多华农学者们心中埋下了“希望”的种子。

2015年,李国亮与动科动医学院的曹罡教授和刚刚学成归国的生科院李兴旺教授一起,共同筹划建立学校“三维基因组学研究中心”,并邀请了校内从事相关领域研究的学者们一同加入,自此,三维基因组团队在华中农业大学正式建立。

一轮轮新技术攻关,只为更多原始创新

经冬复立春,在“冷板凳”上钻研着“热课题”,伴青灯黄卷,默默并吞着一个个“不成能”,这是我校三维基因组团队探索初期真实的写照。

2014年,经过多次碰撞探讨,李国亮与动科动医学院曹罡教授正式开启了探索之路,他们的目标是开发一种高质量低成本的新染色体构象捕捉技术。可在当时,学校在高性能计算平台方面的资源极度欠缺。为了尽快鞭策研究,2015年,李国亮将本身的科研经费贡献出来,连同学校的支持,才购置建设了一套高性能计算平台。

而对李国亮而言,除了仪器设备,根本任务是在三维基因组学研究领域原始创新。“开发一项新技术,比如是一场‘超纲’的科研攻关。我们要破解的,是在前沿基础上开发出更高效、更优质的技术,解决这些问题,不仅需要超常的想象力,更需要持久的意志力。”

李国亮在指导学生(陈治国  供图)

李国亮在指导学生(陈治国 供图)

“早期的探索过程是格外煎熬的,尽管设计了理论上可行的思路,但具体实践起来,结果就是不抱负。面对一轮又一轮的失败和学生毕业的压力,当时甚至还萌生过换个标的目的的想法。但是转念又一想,不能轻言放弃。我们一面调节好本身的情绪,一面给学生做思想工作,和他们仔细分析问题的原因,就这么一路走了过来。”李国亮回忆说。

在大家的不懈努力下,2017年,这项交叉科学研究终于迎来了转机,不仅试验结果越来越不变,效果也越来越好,这也意味着,团队开发的低成本、高效能新染色体构象捕捉技术研制成功。

在通过了一系列模拟试验的检验后,2018年4月26日,这项历时近4年的合作研究成果终于在Nature Genetics颁发。团队首创的新染色体构象捕捉技术(DLO Hi-C),使全基因组染色体构象捕捉实验的成本大大的降低,同时简化了实验步骤,使得实验成功率显著提高,对辅助基因组组装、解析基因组远程调控元件的功能、理解疾病易感位点、以及检测染色体结构变异有着重要的意义。Nature Genetics同期还颁发专门评论性文章,对此项研究工作给予了较高评价“Lin et al. introduce an elegant dual-linker strategy that allows for noise filtering and early quality control.”    

回忆起这段研究经历,曹罡感慨说,尽管这些工作远不如照搬别人的套路做起来快,甚至有点费力不讨好,但我们是真心希望做一些创新的科研工作,非常感谢李国亮这样的合作者和这些能坚持下来的学生。

就在与曹罡教授合作开发新技术的同时,李国亮与李兴旺教授的合作也在紧锣密鼓地进行中。2016年,刚刚回国的李兴旺也处于工作的亢奋和灵感迸发的高峰,他迫切希望所学习到的先进技术运用于农作物研究领域,填补植物三维基因组学研究中的空白,唯一让他担心的,是本身会慢于同行。

为了更快地推进研究,李国亮与李兴旺带着学生们开始了夜以继日的“魔鬼训练”:每天早上2小时的头脑风暴,再分头将碰撞产生的想法火速实践,第二天早上结合前一天实践的结果再次探讨推进……“这样高强度的探索过程持续了近半年,也正是这段经历,加速推进了适用于水稻基因组研究eChIP-Seq技术的产生,也为我们后续新技术的开发与应用打通了思路。”李兴旺回忆说。

李兴旺教授在第六届国际基因组学大会上作报告

李兴旺教授在第六届国际基因组学大会上作报告(信息学院 供图)

2019年,李国亮与李兴旺教授首次在玉米和水稻中建立了Long-read ChIA-PET技术体系,并描绘了玉米和水稻的三维基因组图谱。2020年,他们和杨芳教授合作,又用DLO Hi-C技术描绘了玉米雌雄穗的三维基因组图谱,相关研究成果得到了国表里同行的高度评价。

这一系列成果的诞生,不仅让李国亮对华农这片学术的沃土有了更深的热爱,也让华农三维基因组团队看到了更多可能,相关交叉学科研究,也逐渐向学校多个动植物研究领域延伸。

依托学科交叉融合,解决更多不成能

“自由交流、思想碰撞、有所启发”,对植物科学技术学院王茂军教授而言,这几年,在三维基因组团队的例会上的头脑交流碰撞,已然成为一种“精神享受”。

事实上,2012年第一次听三维基因组学相关学术报告时,王茂军感觉仿佛是在听“天书”:“虽然知道相关研究很有意义,也很有意思,但完全不知道从哪里入手。”

2013年,因研究攻关需要,王茂军与李国亮教授团队合作,首次将DNA酶I酶切测序和三维基因组技术结合起来,用来鉴定棉花的转录调控元件,分析这些元件受到的驯化选择。得益于此次的研究经历,王茂军以三维基因组技术开展棉花领域研究的“脑洞”也被渐渐打开了。

“李国亮老师经常会邀请三维基因组相关领域专家来校作报告,我都会参加,而在推进项目研究过程中,和李国亮老师面对面的交流与碰撞,也给了我很多启发。平时,只要有相关研究领域的新进展,李国亮老师都会发邮件给我学习。经过这几年的学习和探索,我也能和大家一起,自由地参与头脑风暴了。”目前,已经运用三维基因组技术产出多项高水平研究成果的王茂军说。

王茂军的成长经历只是三维基因组团队的一个缩影。而为了帮手华农学者们更好地融入团队,李国亮一直在不遗余力地探索。

在李国亮的微信里,一个名为“三维基因组学研究交流群”每天都格外活跃。这个交流群由李国亮回国后组建,这里,集结了国表里从事三维基因组学研究的华人学者,他们都有一个共同的抱负:鞭策国内三维基因组学研究向前发展。每天,学者们围绕领域前沿问题交流探讨,分享新技术新发现,推进学科交叉合作……目前,该群人数已达500人的上限。“希望通过群交流,更好地促进我校与国表里学者的交流合作,这对开拓视野、启迪智慧、激活创意大有裨益。”李国亮说。

每次参加国表里学术前沿交流会,李国亮都有一个明确的目标:尽可能把交流会上前沿研究技术与理论带回来与团队成员们分享交流。而每每刚回到华农,他便马不竭蹄地召集大家分享参会的所思所获,以激发大家更多的创新灵感。

第四届国际三维基因组学研讨会在华中农大举行,学者们一起交流探讨(信息学院 供图)_副本

第四届国际三维基因组学研讨会在华中农大举行,学者们一起交流探讨(信息学院 供图)

 

不止于此,在李国亮教授的牵头组织下,五届三维基因组学国际研讨会相继在华农举行,第7届国际三维基因组会议,也将于2020年12月在华中农大启幕。通过举办研讨会,不仅充分展示了我校三维基因组学研究团队的突出科研成果,有效提升了华农科研人员的学术声誉和国际影响力,更有力地促进了三维基因组学在校内和国内的推广与发展。

风云际会显本色,创新追求无止境。如今,华中农大三维基因组团队,正瞄准更新的三维基因组技术和算法开发,依托学科交叉融合,以新技术解决更多生物学领域难题。他们,也将在无尽的攀登之中,看得更多,走得更远,收获更多关于未知和未来的答案。

(记者: 匡敏   审核 :赵希庆 吴义生)

责任编纂:匡敏