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《科学》杂志发表西安交通大学主导的国际合作研究成果

2018年08月31日 11:10  点击:[]

破译“恶之花”封存亿万年的基因密码 揭示鸦片罂粟基因组及吗啡合成原理

《科学》杂志发表西安交通大学主导的国际合作研究成果

来源:交大新闻网 日期 2018-08-31 07:56 点击: 2544

“为什么会选择罂粟作为研究对象?”面对记者的提问,西安交大“青年千人”叶凯教授回答道,“之所以选择极具稀缺性、药用历史悠久的罂粟进行研究,是想以其为切入点,深入探究药用植物的现代化与标准化发展路径,进而从科学研究的角度继承、弘扬我国博大精深的中药文化。”

8月31日,西安交通大学叶凯青年科学家工作室团队、英国约克大学伊恩·格拉汉姆院士团队、英国惠康基金桑格研究所宁泽民研究员合作的学术论文“The opium poppy genome and morphinan production”,发表在最新一期的《科学》杂志,在国际上首次公布鸦片罂粟的高质量全基因组序列,揭示其进化历史上主要加倍和重排事件,阐明吗啡类生物碱、合成基因簇的进化历史,为进一步开发鸦片罂粟药用价值和揭示罂粟科乃至早期双子叶植物进化历史奠定了重要基础。

其中,叶凯青年科学家工作室郭立副教授与杨晓飞讲师为本文共同第一作者,叶凯教授为共同通讯作者,西安交通大学为第一作者单位,该工作从接收到在线发表仅隔8天。

“我们致力于让物种造福人类”

罂粟常被称之为“恶之花”,外表虽明艳动人,却能滋生瘾患。另一方面,它是缓解人类疾病痛苦的良药。新石器时代阿尔卑斯山脚下洞穴中就发现罂粟使用痕迹,唐朝期间经由大食进贡传入中国。《本草求原》曾这样记载罂粟的良效,“性同于粟壳,而止痢止痛行气之效尤胜”。事实上,从罂粟中提取的吗啡类生物碱是强有力的止疼剂,除具有止疼药效外,罂粟中的那可丁成分,还具有显著止咳以及抗癌的功效。遗憾的是,人们对罂粟药用价值并没有系统、全面的认识,因而不能将其物尽其用,实现更大的价值。

破解罂粟基因组是当今科学界亟待破解的世界难题。由于罂粟的基因组存在大量(约70%)的重复序列,且经历了多次大规模的结构变异,使得解析该基因组异常困难。

叶凯团队以英国本土罂粟植物为对象,利用多种前沿基因组测序技术、复杂数学模型、深度挖掘及分析方法成功破译罂粟基因组并揭示其进化历史,首次在国际上完成了罂粟全基因组测序及高质量组装分析。

罂粟基因组特征及主要进化事件

研究显示,罂粟基因组在距今780万年发生了一次全基因组加倍事件,在距今至少1.1亿年发生基因组片段加倍事件。此外,首次发现罂粟合成止咳那可丁和镇痛吗啡类生物碱的15个基因在11号染色体上形成超级基因簇,该基因簇在根、茎部特异表达且共表达。

正是由于罂粟在进化过程中由于经历基因组加倍事件和多次基因片段扩增、丢失、融合和重排等,造成了两种代谢通路基因的聚集和共表达,形成了超级基因簇,从而能够协同高效合成新的次生代谢物,而罂粟中最具药效的吗啡类生物碱和那可丁成分均属于罂粟的次生代谢产物。

叶凯团队公布罂粟全基因组序列,破译罂粟中合成次生代谢产物的奥秘,不仅对开发分子植物育种工具,培育新品种大有裨益,更对工业合成中选择性提高具有不同药效的生物碱产量具有重大指导意义。“我们团队的研究宗旨与定位即,让植物满足医疗所需,使物种造福于人类。”叶凯笃定道。

“研究成功的秘诀在于实现跨学科与国际化合作”

叶凯团队的罂粟基因组项目研究历时两年多,从2015年底开始筹划设计,17年6月拿到所有数据,到18年2月正式完稿,团队采集数据后仅用8个月的时间高效地完成了这项极具难度与挑战的研究分析过程。叶凯团队快速成功的秘诀在于充分利用国际化团队合作及学科间交叉融合的优势。目前,叶凯团队规模不大,但通过跨学科和国际化合作,小团队在短时间内做出了大成果。

叶凯教授团队(郭小龙 摄)

仔细分析叶凯团队以及合作伙伴便能发现,团队成员的学科背景丰富多样,涵盖了多个学科领域,包括自动化、计算机科学、生物学、药学、数学等,缺一不可。正是由于团队成员运用在各自领域多年积累的知识和经验,确保了罂粟项目从植物培育、测序、组装注释、数据分析到最终成果的每一环节的创新性和严谨性。通过国际间的通力合作,选取最具代表性的高质量研究样本,能够在最短的时间内能够将各方优势发挥到极致。

叶凯团队取得的成果,得益于国际合作及多学科交叉融合,展示了交叉学科出大成果的潜力,更体现了西安交大“双一流”建设布局的前瞻性,以及鼓励交叉学科发展,培养交叉学科人才的明智决策。叶凯团队所在的电信学院智能网络与网络安全教育部重点实验室包含信息领域的4个一级学科、数学、生物信息学、法学等学科,是典型的交叉学科实验室。叶凯团队充分利用实验室的交叉学科研究条件与环境,并与学校第一附属医院研究团队密切合作。学科交叉融合为团队的科研工作开辟了新思路。

多年来,西安交大积极实行开放包容的人才政策,通过一系列引进和培养计划,为青年教师搭建成长的完整阶梯。2016年初,在海外学习工作12载的叶凯毅然选择回到祖国,扎根三秦。为打破学科壁垒、形成有利于开展综合交叉研究的工作氛围,2015年学校开始探索“科学家工作室”模式,成立了叶凯教授领衔的第一个青年科学家工作室。

叶凯青年科学家工作室组建后,在学校“双一流”学科建设项目的支持下,以“精准医疗”“中医药”国家战略发展规划为指引,积极组建跨学科研究团队,开展生物信息学和基因组学的前沿交叉研究,基于大数据处理和模式识别的最新理论,研究包括药用植物基因组和精准医疗大数据处理的系统化方法,在国际国内基因组项目应用,取得了上述国际领先的成果。

当前,叶凯教授团队砥砺前行,继续在学科交叉的广阔天地中,加强国际化交流合作,探索发现新知,不断织就报国为民的伟大梦想。

文章链接:http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/29/science.aat4096

叶凯个人主页:http://gr.xjtu.edu.cn/web/kaiye

文字: 张琢悦 电信学院
编辑: 程洪莉

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