谈家桢生命科学奖

谈家桢
生命科学奖

2018



2018年谈家桢生命科学创新奖
刘江 研究员
中国科学院北京基因组研究所

  刘江研究员在国际上首次证明表观遗传图谱能够完整地传递到后代中,改变了过去对DNA甲基化的跨代遗传和重编程的一些错误认识,开启了对人类合子基因组激活机制的研究大门。相关成果正进行临床实验,有望提高试管婴儿出生率。

教育经历

2005/05–2006/07  耶鲁大学医学院遗传系,博士后

2003/11–2005/04   密西根大学医学院,生理系,博士后1998/09-2003/07,中国科学院生物物理研究所,细胞室,博士研究生

工作经历

2006/08–2009/06  芝加哥大学,人类遗传系,研究助理(助理教授)

2009/07–至今        中国科学院北京基因组研究所, 中科院基因组科学和信息重点实验室,研究员

主要贡献

  1、DNA甲基化的跨代遗传和早期胚胎发育中重编程的规律

  在胚胎发育过程中,亲代的表观遗传学信息能否遗传给子代胚胎是一个尚未回答的科学难题。刘江团队分别使用斑马鱼和小鼠为模型阐述了这个问题。

  刘江团队利用高通量测序平台首次完成斑马鱼多个发育阶段单碱基高分辨率的DNA甲基化图谱的绘制。该研究发现精子的DNA甲基化图谱被完整地遗传给子代胚胎,而卵子的甲基化图谱在细胞分裂过程中被稀释而抛弃;进而发现精子的甲基化图谱是一个全能性的表观遗传图谱,在子代胚胎发育中可被用于指导基因的时序表达。该研究结果于2013年5月9日在国际著名学术期刊CELL杂志上作为封面文章发表,研究结果表明除了DNA被遗传外,表观遗传信息也可以遗传到子代中去,意味着在调控动物发育、表型、甚至疾病等方面,表观遗传信息的变异可能和遗传信息的变异一样起重要作用;研究结果改变了传统上认为受精后胚胎发育的信息主要是由卵子提供、而精子只携带一套DNA序列的观念;此工作还引发了关于获得性遗传对进化驱动作用的新思考。工作发表后被CELL、NATURE GENETICS等大量学术期刊专题报到,同时也被大量大众媒体例如CCTV、人民日报、科技日报等报到。

  而在哺乳动物里,胚胎受精后会出现全基因水平的DNA去甲基化。过去一直以来都认为父源DNA是通过主动的方式直接去除DNA上的甲基化,而母源DNA是通过被动的方式去除DNA上的甲基化。刘江团队与南京大学黄行许团队合作研究,证明父源和母源DNA都是通过主动去甲基化的方式来实现DNA的去甲基化的。通过物种进化的对比,说明全基因组去甲基化导致了胎盘类哺乳动物印记基因的起源,预示着表观遗传重编程的进化,即全基因组去甲基化的产生对进化出胎盘类哺乳动物的过程起非常重要的作用。该研究成果于2014年5月8日发表在CELL上。此研究改写了此领域长期以来的错误认识,被CELL STEM CELL、Faculty 1000等专题评论。

  2、染色体三维结构在哺乳动物早期胚胎发育过程中的重编程

  精子、卵子的染色体结构处于一种高度压缩的状态,与多数体细胞存在巨大差别。精子和卵子受精后,细胞核中的染色体如何变化并形成体细胞染色体状态、并协助胚胎发育,是一个尚未了解的科学问题。刘江团队与上海科技大学黄行许团队于2017年7月14日在CELL上发文揭示了哺乳动物成熟精子和卵子的染色体三维结构以及在早期胚胎发育过程中染色体结构的重编程变化。该研究发现成熟的卵子没有拓扑结构域,而在精子中普遍存在超远程染色体的相互作用;随着受精卵的发育,染色体高级结构才逐渐建立起来,染色体高级结构的建立不依赖于受精卵基因组转录的激活、而是依赖于基因组的复制。这一成果为研究者认识早期胚胎中真实的三维基因组结构做出良好铺垫。此工作被BioArt评为2017年中国生命科学十大进展之一。

  3、染色质开放状态对人类胚胎基因表达的激化机制及其与对进化的作用

  在受精之后的两天时间里,人类胚胎里几乎没有基因表达。如何让人的基因开始表达,哪些基因会先表达、哪些基因后表达,一直以来都是研究难点。刘江团队与山东大学附属生殖医院陈子江团队、广州医科大学刘见桥团队合作在国际上首次研究了人类胚胎基因组的激活机制。该研究揭示了启动人类基因组表达的关键分子(Oct4);发现在进化历史中,最先出现的基因(老基因)会先表达、而最后出现的基因往往会后表达,这与老基因的染色质状态最先被开放相关联;揭示引起人类进化的转座子恰恰主要在胚胎中处于活跃状态,使人类基因组产生新突变,而只有在胚胎中产生的突变,才更可能传递到后代中,从而引起人类的进化。该研究成果于2018年3月在CELL杂志上发表,已被Journal of Genetics and Genomics专题报道。此研究打开了对人类胚胎合子基因组如何被激活的研究大门,发表后被CCTV等媒体广泛报到。

  4、DNA甲基化图谱可作为筛选人类优良早期胚胎的潜在分子探针

  目前在中国大约有10%-15%的家庭需要辅助生殖技术的帮助,中国辅助生殖每年有1000亿市场,而临床上辅助生殖的出生率只有大约30%。因此,如何筛选高质量的囊胚植入母体进而提高试管婴儿的出生率,是辅助生殖产业中一个极其重要的问题。刘江团队与北京大学第三医院乔杰团队合作,使用单细胞DNA甲基化组测序,该研究发现人类早期胚胎中存在DNA甲基化图谱的异常,并且胎儿的低出生率与这种状态相关;同时,从DNA甲基化图谱数据中还能获得胚胎的染色体非整倍性信息,用于产前遗传学诊断。于2017年10月20日在《遗传学报》上发表研究成果。该研究成果预示着DNA甲基化状态是一种潜在新的分子探针,可以替代目前为临床上筛选囊胚的基因组测序的方法,有望提高试管婴儿的出生率,具有重大的临床应用价值,有助于人类的优生优育。目前正在进行临床实验检测。