DNA上核苷酸序列承載了生命的遺傳信息，遺傳物質能夠遵循孟德爾遺傳法則代代相傳。遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質，完成遺傳信息的轉錄和翻譯過程。
隨著時間推移，科學家們逐漸認識到，即使從上一代那裡複製獲得的DNA序列不發生變化，基因表達也會發生能夠繼承的變化。上世紀80年代起，表觀遺傳學應運而生。
今天，科學家認為表觀遺傳調控機制是生命現象中一種普遍存在的基因表達調控方式。而細胞編程與重編程幾乎囊括了表觀遺傳學的基本科學問題，成為全世界表觀遺傳學家高度關注的問題。
2008年，為促進我國這一領域的基礎研究，國家自然科學基金委員會（以下簡稱基金委）啟動了“細胞編程和重編程的表觀遺傳機制”重大研究計劃。至2016年底結題時，該計劃全面完成了預定的各項科學目標，取得了豐碩的成果。
2018年初，29位專家參與了該重大研究計劃的最後評估，全部給予“優秀”評價。他們一致認為，耗時8年、投入1.9億元經費，該計劃的實施極大提高了我國在表觀遺傳和細胞命運決定領域的研究水平，實現了從跟蹤並行到躋身世界先進行列的跨越式發展。
本期基金版將總結該重大研究計劃取得的經驗，介紹三項最具代表性的科研成果，展示該計劃取得的成績。
①斑馬魚早期胚胎完全繼承精子甲基化圖譜在《細胞》雜誌封面發表。
②多部國際知名生物學教科書錄入30納米染色質結構。
③30納米染色質的精細結構圖。
起點：沒有錯過的機遇
早在1740年，瑞典植物學家卡爾·林耐首次觀察到一種不同尋常的遺傳現象。他在一次野外調查中獲得一株具有全瓣徑向對稱的“柳穿魚花”——這種花明明是呈雙側對稱的！
直到上世紀90年代，英國植物學家恩里科·科恩等人在《自然》雜誌上發表文章，揭開了這一長達兩百年的疑問。柳穿魚花基因組中的甲基化基團抑制了一種叫“Lcyc”的基因表達，這種基因正好和花瓣對稱性有關。科恩的課題組還發現，這些甲基化修飾物能夠遺傳給下一代。
“這是表觀遺傳學的一個經典案例。”2018年1月2日，中科院院士、同濟大學生命科學與技術學院教授裴鋼在基金委重大研究計劃“細胞編程和重編程的表觀遺傳機制”結題評估會上的報告中追溯表觀遺傳學的興起。
這也是該重大研究計劃在科學上的起點。上世紀80年代後期，以解釋與經典的孟德爾遺傳法則不相符的生命現象為目標的表觀遺傳學逐漸興起，成為一門新學科。
2000年以後，國際範圍的表觀遺傳研究已取得重大進展，中國的系統研究才剛剛起步。
“1990年至2008年間，表觀遺傳學領域的論文近半數為美國發表，我國發表的文章僅佔不到5%，國際排名第七。我國在表觀遺傳領域的研究起步較晚，團隊體量較小。”裴鋼說。
當時，中國科學家清醒地認識到，要在國際生命科學領域佔領一席之地，必須在表觀遺傳學領域有所建樹，細胞編程與重編程正是極佳的切入點。細胞編程與重編程研究囊括了表觀遺傳學的基本科學問題。2006年，日本、美國科學家報道了誘導性多能幹細胞（iPS細胞）的建立，意味著體細胞重編程研究進入嶄新階段。
所幸，中國科學家沒有錯過這個機遇。2008年，在世界生命科學發展重要的窗口期，基金委及時啟動了重大研究計劃“細胞編程和重編程的表觀遺傳機制”。
8年中，在該重大研究計劃的支持下，中國科學家實現了從跟蹤並行到躋身世界先進行列的跨越式發展。“計劃實施中，我們取得了多項顛覆性的原始創新，若干個領域當之無愧‘引領’世界科學前沿。”該重大研究計劃科學家、同濟大學生命科學與技術學院院長高紹榮告訴《中國科學報》記者。
成果：引領世界的創新
圍繞這一領域懸而未決的科學問題，指導專家組把握國際前沿，依據國內研究現狀和優勢方向，適時調整研究佈局，不斷聚焦，從實施開始的支持6個研究方向，到2010年調整為5個，再到2012年調整為3個，為加強優勢和實現跨越式發展創造良好支撐條件。
多個堪稱“世界第一”的成果便在如此精準的戰略眼光指導下取得。例如，困擾國際生命科學界30年之久的30納米染色質纖維左手雙螺旋結構被解析，提出顛覆傳統理論的細胞命運轉變“蹺蹺板模型”，建立單倍體胚胎幹細胞及半克隆技術獲得“人造精子”，構建斑馬魚配子和早期胚胎單鹼基分辨率全基因組圖譜引發對進化的新思考。
“這些成果不僅讓我們認識了表觀遺傳信息形成、維持、作用的規律，也闡明瞭表觀遺傳調控在細胞生長、發育和環境適應等方面的作用機理，揭示了表觀遺傳網絡組成、進化和運行的機制。”裴鋼評價說。
科學家認為，上述成果的取得離不開學科交叉。據介紹，該重大研究計劃通過年度項目指南積極吸引交叉學科的科學家進入研究隊伍，先後有數學、信息、化學和醫學學科共計306個交叉學科項目申請，共資助了58個項目，尤其是資助了10個與數學和信息學科交叉開展表觀遺傳信息網絡的起源和進化研究項目，資助了4個與物理和化學學科交叉開展染色質結構和三維成像技術研究項目。
對此，該重大研究計劃科學家、中科院生物物理所研究員李國紅告訴《中國科學報》記者，在30納米染色質結構解析工作中，他帶領的研究小組做染色體樣品製備，同事朱平研究組做冷凍電鏡相關工作，而中科院物理所李明研究組致力於單分子磁鑷技術。“三個研究小組剛好能把各自的優勢結合起來，缺一不可，都對成果產出發揮了決定性作用。”他說。
隊伍：培養科技領軍人才
我國表觀遺傳學學術實力增強，離不開人才培養。該重大研究計劃注重對中青年學術骨幹的培養，在長達8年的科研實踐中，形成了我國表觀遺傳學強有力的科研隊伍。
該重大研究計劃中，項目負責人及指導專家組專家共4人當選中科院院士，15人獲得基金委“國家傑出青年科學基金”，16人獲得基金委“優秀青年科學基金”，9人獲基金委“創新研究群體”資助。
在高紹榮看來，計劃吸引了許多過去沒有從事該領域研究的科學家參與進來。“這是該計劃在人才培養方面的最大收穫，尤其是把很多有能力的年輕學者吸引進來，也很好地實現了學科交叉。”
中科院北京基因組所研究員劉江便是其中之一。2009年，該重大研究計劃剛剛啟動，劉江就作為中科院“百人計劃”引進人才進入北京基因組所工作。當時，有關腫瘤機制問題是他的主要研究方向。“正是參與這個重大研究計劃鼓勵我進入表觀遺傳學領域。”劉江告訴《中國科學報》記者。
2013年，劉江歸國4年後發表了第一篇論文，首次證明除DNA序列外，DNA甲基化圖譜也可以被完整地遺傳到子代中，改變了長期以來認為精子只提供一套DNA序列而不提供其他信息的傳統觀念。這是一項被譽為“修改教科書的成果”，也成為該重大研究計劃最具代表性的成果之一。2014年，劉江獲得基金委“國家傑出青年科學基金”。
他說：“這個重大研究計劃為我打開了新世界的大門，從零開始發展到今天，就像是創業一樣。”
《中國科學報》 (2018-07-30 第4版 綜合，原題：“細胞編程和重編程的表觀遺傳機制”重大研究計劃八年 做到了！表觀遺傳實現跨越式發展)
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