华大基因研究院凭借强大的科研能力及先进的组学技术平台先后参与及主导了多项国际性的科研项目,并在众多研究领域取得重大突破。

目前,华大基因研究院主要致力于个人基因组、肿瘤、生育健康和动植物分子育种四大方向的研究,以人类健康、动植物、微生物类重大科学项目为依托,深入探讨DNA水平、RNA水平、DNA与组蛋白修饰水平、蛋白质水平、网络/系统生物学水平、元组水平、群体与进化组学水平、代谢组学水平、合成生物学水平、单细胞水平等方面的科学研究与核心技术开发。

无创产前

孕妇外周血中胎儿游离DNA的发现,为无创性的胎儿染色体非整倍体产前检测带来了新的机遇。通过采集孕妇外周血,提取血浆中的游离DNA,进行大数据量测序和生物信息学分析,能重现胎儿DNA序列在染色体上的分布,可以准确地检测出“染色体非整倍体”的患儿。

该方法理论上适用于所有染色体非整倍体的检测,目前已经在21-三体综合征、18-三体综合征、13-三体综合征临床检测中得到验证。华大基因研究院将对无创产前基因检测技术进行拓展、优化和升级,期望能将其运用到其他染色体异常、孕中期胎儿单基因或多基因遗传缺陷、HLA配型及双胎疾病等方面的检测中。

先天性遗缺陷

         在中国,大约20%~25%的人患有遗传病,主要包括染色体遗传病,单基因遗传病和多基因遗传病。正常人群中,平均每人携带5~6个隐性致病突变(携带者),并按一定比例遗传给后代,从而导致新生儿出生缺陷。目前已报道的染色体异常疾病有数百种。在线人类孟德尔遗传数据库(OMIM)已收录单基因疾病相关基因21,821个。其中疾病表型描述准确且其遗传机理比较清楚的大约有3,780种左右。这些遗传性疾病大多不能被有效治疗,给社会和家庭带来严重的经济负担

华大基因研究院对近年出生缺陷发病率较高的先天性心脏病、唇腭裂、智力低下及代谢障碍、染色体异常、免疫缺陷等疾病进行基因检测。通过采集血液、羊水、组织等样本,应用高通量测序技术,在染色体和单基因层面对相关疾病进行检测。根据检测结果,建立疾病致病基因突变数据库及正常人频率库,找出更多发病率高、危害严重的遗传病致病基因,分析其致病的遗传机理,更好地预防出生缺陷。

不孕不育

在我国,不孕不育患者已超过5000万。习惯性流产的发病率也呈逐年上升趋势。随着生殖医学的发展,辅助生殖技术已成为治疗不孕不育症的重要手段之一。华大基因研究院采用新一代测序技术,在染色体和基因层面对生殖相关医学问题进行深入研究。科研人员针对男性不育、女性不孕患者,寻找导致不孕不育的遗传因素,揭示其分子机制,为临床治疗和干预提供理论依据。项目组完善的植入前筛查和植入前诊断技术,能更准确地筛选出存在染色体异常或基因缺陷的胚胎,提高胚胎移植妊娠率,有效降低习惯性流产和新生儿出生缺陷

干细胞保存与应用

        干细胞的研究与应用几乎涉及了所有的生命科学和生物医药领域,包括细胞治疗、组织器官移植、发育生物学模型、新药开发与药效、毒性评估等。

华大基因研究院致力于研究细胞保存、干细胞分化、胚胎发育、细胞遗传学、iPSCs细胞,在各类型细胞保存技术的开发过程中建立成熟稳定的细胞保存技术流程和完善的实验室硬件设备,搭建包括人类成体干细胞系、人类胚胎干细胞和诱导性多能干细胞的培养及分化平台,开展人类细胞分化与发育的分子机制及调控网络等方面研究,为细胞治疗、再生医学的研究及临床应用奠定基础。


感染性疾病

       华大基因研究院开展生殖道感染、宫内感染及儿童呼吸道和肠道感染的病原体研究。该研究旨在解释病原体对生育健康各时期的重要影响,并查找新的病原微生物,为疾病的治疗和疫苗的设计奠定基础,为儿童急发的未知病原感染(如肺炎、腹泻等病原体的快速确认)提供新的检测方法。

动植物分子育种专项着眼于多种重要作物的育种研究,研究从作物的基因组学到最终的分子育种的整个过程,建立以测序、基因组分析为基础的高效动植物分子育种研究平台,为未来的作物育种提供重要手段  

水稻研究

2011年9月,3000份水稻核心种质资源重测序及基于基因组学的水稻分子育种技术研究项目启动,2014年5月,3000株水稻基因组序列于世界饥饿日公开发布于GigaScience杂志,且整套水稻基因序列以可引用形式在该杂志的附属开放获取数据库GigaDB中公开。标志着3000株水稻基因组项目第一阶段的完成。 

3000株水稻基因组项目”所产出和公开的大量遗传信息将最终被应用到智能育种实践中,为解决粮食挑战提供技术支持。了解不同植株的不同性状发生的遗传机制,将有助于成功培育出可高度适应不同环境的杂交品种。

3000株水稻基因组数据:http://dx.doi.org/10.5524/200001

谷子项目

2010年初,华大基因研究院与张家口市农科院合作开展了谷子基因组测序和全基因组分子育种工作。2012514日,阶段性研究成果发表在国际杂志《自然-生物技术》上。

研究人员在4个半月之内获得了首张谷子的全基因组序列图谱,仅用了2个多月的时间构建了含有700余个分子标记的高密度遗传连锁图谱,并定位了雄性不育、抗除草剂、株高等一系列重要性状基因。这些基因的定位可应用于分子育种(将目标基因或位点导入特定的材料,并在后代的选育过程中快速精确的选择)。采用此方法,华大基因一年内获得了改良后的父母本材料,育种时间缩短了一半以上,大大提高了育种效率。该项目已申请了27项专利。谷子项目的成功,表明以基因组测序为基础的全基因组分子育种已无任何技术障碍。

文献检索:Genome sequence of foxtail millet (Setaria italica) provides insights into grass evolution and biofuel potential. Nature Biotechnology,2012,30(6):549-54. 

 

超级稻研究

2012年年初,华大基因研究院与湖南杂交水稻研究中心合作开展超级杂交稻育种研究,对我国优良超级稻的重要农艺性状控制基因进行定位和专利保护,利用新一代的全基因组分子育种技术,在短期内对目前推广的超级稻进行定向改良,培育超级稻新品种。此项目是与袁隆平先生在水稻研究上的又一次合作,将水稻育种研究提升至新的高度。

目前该项目已完成了抗虫超级稻和巨穗超级稻的群体分析和基因定位,将超级稻中的天然抗虫、籽粒充实度、米粒长、穗粒数、一级梗数、二级梗数、结实率、株高、生育期、落粒性、米粒长宽比等一系列重要农艺性状控制基因精细定位,并开发了超级稻全基因组分子标记,总数量高达60万个。基于这些重要农艺性状控制基因位点和超级稻全基因组分子标记,项目组搭建了水稻全基因组分子育种体系。预计在2年内,利用分子标记指导筛选,完成对超级稻的落粒性进行定向改良,导入其他优良性状,快速培育超级稻新品种。

马铃薯研究

2011711日,由华大基因研究院和中国农业科学院蔬菜花卉所等全球29家单位组成的“国际马铃薯基因组测序协作组”共同完成的马铃薯基因组研究成果在国际顶尖科学杂志《自然》上在线发表。这是继2009年完成马铃薯基因组序列框架图之后,科学家们在马铃薯基因组学研究中取得的又一重大突破,对这一重要块茎作物的遗传改良及育种具有巨大的科学意义。

马铃薯是第一个被测序的菊分支物种。在该项目中,华大基因研究院主要承担了马铃薯基因组的从头测序、组装以及生物信息学相关分析。马铃薯基因组测序深度为123X,组装后的马铃薯基因组大小为727Mb,全基因组的覆盖度达到86%

文献检索:Genome sequence and analysis of the tuber crop potato. Nature (2011) doi:10.1038/nature10158

山羊研究

20121224日,由中国科学院昆明动物研究所、华大基因研究院等单位合作完成的首个山羊全基因组图谱在《自然·生物技术》杂志在线发表。本研究采用新一代测序技术(NGS)与全基因组酶切图谱(Whole-genome mapping)技术相结合的方法成功克服了山羊基因组的组装难题,提供了首个小型反刍动物参考基因组。这将有助于进一步研究反刍动物与非反刍动物之间的区别,并为大型复杂基因组的组装工作提供了新思路。  

文献检索:Sequencing and automated whole genome optical mapping of the genome of  domestic goat (Capra hircusdoi:10.1038/nbt.2478 

牡蛎研究

       2012920日,由中国科学院海洋研究所、华大基因研究院等单位合作完成的牡蛎对潮间带逆境适应的组学基础研究成果在国际顶级学术刊物《自然》上在线发表。

该项目利用新一代测序技术和全新的组装策略,构建了牡蛎全基因组序列图谱,证实了牡蛎基因组序列具有极高的多态性、较高比例的重复序列和活跃的转座子。该项目还结合转录组、蛋白谱等最新组学技术,发现一系列与牡蛎抗逆能力相关的基因发生了明显扩张。这可能是牡蛎适应潮间带极端环境的主要分子基础,揭示了在逆境适应中发挥重要作用的贝壳的复杂形成机制。

文献检索:The oyster genome reveals stress adaptation and complexity of shell formation. Nature,2012,490(7418):49-54.

癌症是当前危害人类健康的主要疾病之一作为一种复杂疾病,其致病机理、分型标记演化过程都是亟待研究破解的科学问题癌症患者个体间的差异更是目前临床治疗面临的一大挑战。随着组学技术的发展,癌症的研究正在经历一场革命。在分子生物学水平上对癌症全面系统的研究,将有助于癌症预防、诊断和治疗新技术和新手段的开发和应用,为人类攻克肿瘤的道路奠定基石。

华大基因研究院秉承4P(预测性预防性个性化和参与性)医疗理念,以个性化医疗为基础,以民生需求尤其是国内重大民生需求为导向,以《 健康中国2020战略研究报告》为政策依据和理论指导,整合组学肿瘤医学相关的先进科学技术,阐明癌症发生发展的遗传机制,明确不同癌种的分子分型标记,开发面向最终应用的肿瘤相关产品。

肿瘤研究团队拥有众多分子遗传学、基因组学、生物信息学、临床医学、化学、工程学等学科的交叉人才,同时建立了由国内外顶尖研究机构、医院教授、医生及相关科研专家组成的顾问委员会。目前主要的研究工作包括基础科学研究、核心技术开发与癌症产品研发。

肿瘤贯穿组学系统生物学研究

系统生物学 (Systems Biology),是一个试图整合不同层次信息(DNARNA、蛋白质等)以理解生物系统如何行使功能的学术领域。通过研究生物系统不同部分之间的相互关系和相互作用,期望最终能够建立整个系统的可理解模型。

随着生物实验的进步和信息处理技术的发展,人们开始对各类疾病开展系统研究。肿瘤贯穿组学系统生物学研究,就是利用多种新技术的结合,在多组学水平上系统研究肿瘤发生发展演化转移耐药等过程中的基因变化,开发肿瘤贯穿组学系统生物学相关的生物信息分析工具与软件,最终为非侵入肿瘤检测的临床应用转化提供系统生物学模型。

肿瘤单细胞谱系、选择与表型关系研究

     华大基因研究院研发了一种解析单细胞基因组的新方法,并将该方法应用于原发性血小板增多症(一种血癌)和肾透明细胞癌(一种肾癌)的肿瘤内部遗传特征研究。此方法解决了组织样本测序时遇到的肿瘤高异质性难题,为从单核苷酸水平深入研究癌症发生、发展机制及其诊断、治疗提供了新的研究思路。

单细胞测序技术的建立,为肿瘤细胞领域的发展奠定了基础华大基因研究院将继续针对肿瘤单细胞谱系、选择与表型关系开展研究,其研究目的主要为发展更先进、更精确的单细胞分析技术,包括其单细胞信息分析流程开发,单细胞实验技术的跟新及开发,寻找在肿瘤演化过程中新的重要驱动因素,构建完整的肿瘤细胞谱系、选择与表型研究的应用模型,最终形成基因及变异的功能、药靶、单抗等科学研究。

微流控技术生物交叉平台建设(Bio-X)

   微流控技术(Microfluidics)生物、化学、医学分析过程的样品收集、分离、反应检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,并使其自动完成。因具有高集成度高灵敏度高效率低成本的特点,该技术在生物、化学、医学等领域有着巨大潜力,已发展成为生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等多学科交叉的崭新技术。

肿瘤专项团队邀请国内外知名实验室研究员加入,开发微流控技术,建立多学科交叉平台(Bio-X),形成基于微流控技术的原型开发、原理验证及生产转化的核心能力,以打造微量化、自动化、高通量、一体化样本提取系统和文库构建系统为目标,为华大基因研究院科学技术及产业转化的持续发展提供开放式支撑平台。

肿瘤个体化诊疗转化医学研究(TumorCare)

肿瘤个体化诊疗是根据单个肿瘤患者药物遗传学和药物基因组学特点,为其提供最佳的临床治疗方案个体化用药指导。它可以帮助患者选择合适的化疗和靶向药物,提高治疗的针对性,最大程度延长患者的生存期。肿瘤转化研究包括肿瘤药物基因组解读和药效预测,应用于肿瘤的早筛早检和后期治疗监控。

华大基因研究院已经与广州医学院附属第一医院、上海长海医院、北京天坛医院、中山肿瘤医院等国内多家医疗机构建立合作关系,在个体化肿瘤研究领域展开合作,共同推动癌症基因组学研究成果的医学转化,将最新的科研成果快速地应用肿瘤临床治疗真正做到科技为民,科技惠民。目前已经在肺癌、前列腺癌、脑胶质瘤甲状腺癌等方面开展试验性合作并取得阶段性成果。

人体肠道元基因组参考基因集的构建

      MetaHIT研究计划由来自八个国家的合作伙伴共同完成,受到欧盟第七框架资助项目的支持。MetaHIT旨在研究人类肠道中的所有微生物群落,进而了解人肠道中细菌的物种分布,最终为后续研究肠道微生物与人的肥胖、肠炎等疾病的关系提供非常重要的理论依据。

华大基因研究院作为该项目的重要合作伙伴之一,为计划顺利实施搭建研究平台通过开发一系列具有针对性的生物信息学分析方法,对测序数据进行组装、注释、群落多态性研究和基因功能分类。2010MetaHIT发表的《人体肠道菌群元基因组研究》文章作为封面文章刊登在国际顶尖科学杂志《自然》上。

MetaHIT计划的完成极大地推动宏基因组学研究的发展,使大规模的宏基因组学研究相继展开大量的新微生物种群和新基因得以发现。