美、英及我國政府對單細胞測序研究及應(yīng)用領(lǐng)域的基金資助

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隨著全球精準醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，基因測序技術(shù)已成為最具潛力、最富活力的生物科技領(lǐng)域之一。

單細胞測序(Single-Cell Sequencing)即從單個細胞水平上對基因組進行測序，把基因測序應(yīng)用到單個細胞層面，對于識別細胞的類型、功能，特定細胞健康或狀態(tài)的變化、變異至關(guān)重要[1]。

隨著靈敏度不斷提升，單細胞測序逐步成熟。

2012年謝曉亮及其團隊發(fā)明的單細胞基因組擴增新技術(shù)(MALBAC)使單細胞精準測序成為可能，極大地推動了單細胞測序甚至基因測序的進展。

2013年，Science雜志將單細胞測序評選為“2013年最具發(fā)展前景的六大科學(xué)領(lǐng)域之一”，NatureMethods雜志也將其評為“2013年度技術(shù)”，認為該技術(shù)將改變生物界和醫(yī)學(xué)界的許多領(lǐng)域[2]。

美國、歐盟等發(fā)達國家和地區(qū)政府對該領(lǐng)域投入了大量資金，促進單細胞測序技術(shù)的改進與應(yīng)用。

本文主要分析美國、英國和我國在單細胞測序領(lǐng)域的基金資助項目，從基金資助的角度探討單細胞測序領(lǐng)域的布局與發(fā)展，為我國相關(guān)部門的決策和科研人員提供參考。

1 資料和方法

1.1 基金數(shù)據(jù)來源

本文中的政府基金資助指由國家和地區(qū)政府及其所屬管理機構(gòu)等提供的基金資助，如美國國立衛(wèi)生研究院 (NIH)、國家科學(xué)基金會(NSF)，以及英國的英國研究理事會(RCUK)。我國的國家自然科學(xué)基金、“863計劃”、國家重點研發(fā)計劃資助的項目均屬于政府基金資助的項目。

另外，本文涉及的單細胞測序及其應(yīng)用領(lǐng)域包括單細胞測序技術(shù)的研發(fā)及利用該技術(shù)得到的測序結(jié)果進行分析的研究，即與測序相關(guān)的、單細胞水平上的、包括測序相關(guān)技術(shù)及利用測序結(jié)果進行分析的研究，不涉及針對序列本身的分析。

其中美英政府資助的基金數(shù)據(jù)源于美國聯(lián)邦機構(gòu)基金資助結(jié)果在線檢索平臺(Federal RePORTER)和英國RCUK資助項目的檢索平臺(Gateway to Research)，檢索方法為：在標(biāo)題和摘要進行檢索，檢索式為“single cell”AND(sequencing OR seq)；我國基金數(shù)據(jù)來源于國家自然科學(xué)基金(NSFC)資助項目檢索系統(tǒng)，檢索詞為：“單細胞測序”“單細胞基因”“單細胞組學(xué)”和“單細胞轉(zhuǎn)錄組”，檢索時間范圍為1999-2016年。

1.2 方法

用Excel軟件統(tǒng)計基金項目數(shù)和經(jīng)費數(shù)的時間分布、機構(gòu)分布、課題負責(zé)人分布及項目類型分布并繪圖。人工判讀標(biāo)題和摘要，結(jié)合已有的資助領(lǐng)域，對各機構(gòu)的研究領(lǐng)域分組。

2 結(jié)果

2.1 美國聯(lián)邦機構(gòu)對單細胞測序相關(guān)項目的資助

2.1.1 資助力度與資助領(lǐng)域

通過Federal RePORTER資助項目檢索平臺，檢索到截至2016財年，美國聯(lián)邦機構(gòu)在單細胞測序相關(guān)領(lǐng)域共資助915個項目，不同財年同項目標(biāo)題去重合并后為481項，累計經(jīng)費5.39億美元[3]。

基金資助始于2008年。自2013年起，每年的資助目數(shù)和資助額逐年陡增(圖1)，體現(xiàn)出美國近幾年對單細胞測序相關(guān)項目的重視。

圖1 美國聯(lián)邦機構(gòu)對單細胞測序相關(guān)項目的資助

各聯(lián)邦機構(gòu)對單細胞測序相關(guān)研究與應(yīng)用領(lǐng)域的資助以國立衛(wèi)生研究院(NIH)為主，經(jīng)費數(shù)占總量的88%，其他資助機構(gòu)為國家科學(xué)基金會(NSF)、國防部國會指導(dǎo)醫(yī)學(xué)研究項目(CDMRP)和退伍軍人事務(wù)部(VA)(表1)。

表1 美國聯(lián)邦機構(gòu)對單細胞測序相關(guān)項目的資助

研究和應(yīng)用領(lǐng)域主要為將單細胞測序應(yīng)用于分子和細胞基礎(chǔ)研究，感染性疾病、腫瘤、心血管與血液病和神經(jīng)精神疾病研究，再生醫(yī)學(xué)與干細胞研究，生物多樣性研究，單細胞測序相關(guān)工具、方法的建立，試劑與儀器設(shè)備的開發(fā)，資源與平臺的建立等(表2)。

表2 美國聯(lián)邦機構(gòu)對單細胞測序相關(guān)研究與應(yīng)用領(lǐng)域的資助

2.1.2 獲得資助的機構(gòu)與負責(zé)人

在單細胞測序領(lǐng)域，NIH所屬機構(gòu)和哈佛大學(xué)獲資助額最多(表3)；哈佛大學(xué)的George M.Church和加州大學(xué)圣地亞哥分校的Zhang Kun是獲資助額最多的科學(xué)家，分別獲得1 896萬美元、1 620萬美元研究經(jīng)費(表4)，用于人類遺傳變異的因果轉(zhuǎn)錄關(guān)系研究和單細胞微生物基因組測序系統(tǒng)開發(fā)、人腦單細胞測序方法研究等。在單細胞測序技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破的謝曉亮共獲得NIH 789萬美元的資助，在2013年發(fā)明多次退火環(huán)狀循環(huán)擴增技術(shù)(MALBAC)之前共獲得325萬美元用于單細胞測序技術(shù)的開發(fā)，在單細胞測序技術(shù)研究成熟之后，2013-2016年間將464萬美元項目經(jīng)費用于單細胞測序技術(shù)在人類基因組測序及癌癥基因組測序中的應(yīng)用研究。其他獲得經(jīng)費前10的科學(xué)家的研究領(lǐng)域為單細胞測序技術(shù)在免疫應(yīng)答特征的研究、人類胰腺細胞的采集與分析、iPS細胞的功能研究、細胞異質(zhì)性的評估、乳腺癌機制研究、HIV遺傳變異研究中的應(yīng)用，以及NIH的DNA測序與基因組學(xué)中心的建立。這些項目的投入將促進單細胞測序技術(shù)在腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)功能與疾病、病原體感染等研究領(lǐng)域的應(yīng)用，增強該技術(shù)的開發(fā)與改進。

表3 獲美國聯(lián)邦機構(gòu)單細胞測序相關(guān)領(lǐng)域資助經(jīng)費的前10位機構(gòu)

美國聯(lián)邦機構(gòu)的資助中有45個項目提供給22家企業(yè)(機構(gòu)名含有CORPORATION或INC、LLC后綴)，資助機構(gòu)主要為NIH，NSF和CDMRP各自資助了6項和1項，經(jīng)費合計3 270萬美元(表5)，占美國聯(lián)邦機構(gòu)對單細胞測序相關(guān)領(lǐng)域資助總額的6%。其中獲得資助額最多的機構(gòu)是“克雷格·文特爾研究所”，達1 000萬美元。獲資助經(jīng)費前10位的公司主要研究方向為人體微生物菌群或微生物多樣性研究，腫瘤、精神分裂癥、多發(fā)性硬化、自身免疫疾病等疾病的基因組學(xué)或轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，細胞活性監(jiān)測，以及單細胞測序相關(guān)試劑盒、單細胞分選與測序技術(shù)開發(fā)等。

表4 獲美國聯(lián)邦機構(gòu)單細胞測序相關(guān)領(lǐng)域資助經(jīng)費的前10位科學(xué)家

表5 獲美國聯(lián)邦機構(gòu)單細胞測序相關(guān)領(lǐng)域資助的企業(yè)

2.2 英國對單細胞測序相關(guān)項目的資助

2.2.1 資助力度與資助領(lǐng)域分布

英國研究理事會(RCUK)是英國生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要的政府資助和管理機構(gòu)，通常是采取研究項目或計劃等形式支持英國大學(xué)和公共研究機構(gòu)的科學(xué)研究。

RCUK目前資助的單細胞測序相關(guān)項目共88項[4]。對外資助的研究項目(Research Grant)共71項，經(jīng)費共計4 298萬英鎊，主要研究領(lǐng)域分布于單細胞測序相關(guān)方法與技術(shù)研究、單細胞測序技術(shù)應(yīng)用于分子基礎(chǔ)研究和疾病分子機制研究、生物多樣性與生態(tài)學(xué)研究(表6)。

表6 RCUK單細胞測序相關(guān)領(lǐng)域資助經(jīng)費分布

英國單細胞測序相關(guān)研究主要資助機構(gòu)為RCUK成員理事會生物技術(shù)與生物科學(xué)研究理事會(BBSRC)、醫(yī)學(xué)研究理事會(MRC)、工程和物理科學(xué)研究委員會(EPSRC)和英國自然環(huán)境研究委員會(NERC)(圖2)。其中BBSRC資助的項目數(shù)和經(jīng)費最多，分別為54項，2 221萬英鎊；其次為MRC，15項，1 326萬英鎊。

圖2 獲英國RCUK單細胞測序相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)費的前10位科學(xué)家

2.2.2 受資助的機構(gòu)與負責(zé)人

資助額最大的項目“Technologies and Techniques for Single Cell Proteomics and Lipidomics: Nanodigestion and Analysis of a Single Cell Plasma Membrane”由倫敦帝國學(xué)院的David R.Klug承擔(dān)。David R.Klug在該項目中獲得513萬英鎊經(jīng)費，也是目前RCUK在單細胞測序領(lǐng)域單項及累計資助最多的科學(xué)家(圖2)。倫敦帝國學(xué)院共獲得BBSRC的2個資助項目，共544萬英鎊，是目前獲得RCUK資助額最高的機構(gòu)(圖3)。

圖3 獲英國RCUK單細胞測序相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)費的前10位機構(gòu)

2.3 我國單細胞測序相關(guān)項目的資助

2.3.1 資助力度與資助方向

2.3.1.1 國家自然科學(xué)基金(NSFC)[5]

2010年，NSFC資助2個細胞測序相關(guān)研究項目單，經(jīng)費77萬元。

2012年，原中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)吳玉章主持的“單細胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)用于肝臟浸潤T細胞在慢性乙型肝炎中的作用機制研究”作為國際(地區(qū))合作與交流項目，單項獲得NSFC 300萬元資助。

2013年，隨著國際對單細胞測序領(lǐng)域的關(guān)注上升，NSFC投入1 500萬元用于相關(guān)研究，2014-2015年資助項目數(shù)及資助金額稍有回落，在2016年又迅速增加至23項，超過2 000萬元(圖4)。

圖4 2010-2016年NSFC在單細胞測序領(lǐng)域的資助力度

資助的研究領(lǐng)域中，以單細胞測序儀器和技術(shù)開發(fā)經(jīng)費最多，目前已資助約3 000萬元，其中對腫瘤研究與監(jiān)測、胚胎發(fā)育和微生物基因組研究(包括口腔菌群微生物研究)中的資助力度位于前列。各相關(guān)領(lǐng)域的資助情況見表7。

表7 NSFC對單細胞測序相關(guān)領(lǐng)域的資助

2.3.1.2 國家科技計劃

在2015年度的“863計劃”項目申報指南[6]中，將單細胞測序作為重點關(guān)注的方向之一，共設(shè)立3個研究方向，分別是單細胞測序技術(shù)的改進及其在腫瘤防治、生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

自從科技計劃體系實施改革之后，國家將單細胞測序資助納入了國家重點研發(fā)計劃“精準醫(yī)學(xué)研究”重點專項。

在2016年度“精準醫(yī)學(xué)研究”的申請指南中，研究方向繼續(xù)沿襲了“863計劃”對單細胞測序技術(shù)與方法及其在腫瘤防治、生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，并將“臨床用單細胞組學(xué)技術(shù)研發(fā)”作為“面向未來精準醫(yī)學(xué)應(yīng)用的其他組學(xué)技術(shù)研發(fā)”的第一個研究方向，其目的是為了全面發(fā)展和完善單細胞基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組高通量測序技術(shù)和方法，建立單細胞的快速分離、捕獲、提取、培養(yǎng)與精準表征系統(tǒng)，深入推進單細胞技術(shù)在癌癥血液檢測、腫瘤干細胞、腫瘤特定區(qū)域、特定功能細胞研究中的應(yīng)用，深入推進單細胞技術(shù)在胚胎植入前診斷和篩查、生殖細胞研究中的應(yīng)用[7]。

2.3.2 主要受資助機構(gòu)與負責(zé)人

由于本文無法獲取“863計劃”具體資助項目，因此我國主要受資助機構(gòu)和負責(zé)人信息來自國家重點研發(fā)計劃和NSFC公布項目。

已公布的國家重點研發(fā)計劃資助項目中，北京大學(xué)的張澤民和博奧生物集團有限公司的郭弘妍各承擔(dān)一項單細胞組學(xué)技術(shù)開發(fā)相關(guān)項目，經(jīng)費分別為1 350和900萬元。

NSFC資助的單細胞測序領(lǐng)域項目中，面上項目和青年科學(xué)基金資助項目分別為26項和18項。

北京大學(xué)的黃巖誼和廈門大學(xué)的顏曉梅先后在2013年和2016年承擔(dān)國家重大科研儀器設(shè)備研制專項，是我國單細胞測序新儀器設(shè)備和新技術(shù)開發(fā)的重要項目，他們獲得的資助額分別為850萬元和691.8萬元。

北京大學(xué)是目前獲得NSFC在單細胞測序領(lǐng)域資助金額最多的單位。

獲資助金額排名在前5位的單位及研究內(nèi)容見表8。研究領(lǐng)域主要有單細胞測序儀器和技術(shù)開發(fā)、腫瘤、胚胎發(fā)育、干細胞研究、微生物基因組及醫(yī)學(xué)免疫學(xué)。

獲得NSFC資助的金額在200萬元以上的8位科學(xué)家及其具體研究方向見表9。他們的研究領(lǐng)域主要為單細胞測序儀器和技術(shù)開發(fā)、腫瘤、胚胎發(fā)育、干細胞研究、微生物基因組、醫(yī)學(xué)免疫學(xué)和神經(jīng)損傷修復(fù)。

表8 單細胞測序領(lǐng)域獲得NSFC資助金額前5位的單位及其項目

表9 獲NSFC資助總額超過200萬元的從事單細胞測序相關(guān)研究的科學(xué)家的研究方向

3 結(jié)論與討論

單細胞測序在組織器官內(nèi)細胞基因組的異質(zhì)性研究、干細胞的異質(zhì)性研究、生殖細胞的遺傳重組研究、胚胎的植入前遺傳學(xué)診斷研究、法醫(yī)學(xué)少量DNA測序等方面擁有無與倫比的優(yōu)勢。認識到單細胞測序在生物醫(yī)學(xué)研究與應(yīng)用中的重要價值后，各國政府不斷增加單細胞測序研究投入，美國和英國在2015和2016年的資助額分別達歷年資助總額的54%和27%。我國對單細胞測序的基金資助時間較發(fā)達國家滯后，NSFC自2012年起，資助力度明顯增長，截至2016年資助總額累計達6 400萬元，其中2015和2016年的資助額共占51%。NSFC前期對基礎(chǔ)研究的資助取得一定成果后，2015年“863計劃”、2016年的國家重點研發(fā)計劃集中財力，重點資助單細胞測序技術(shù)的改進及其在微生物、腫瘤和生殖醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。美國、英國和中國的研究和應(yīng)用領(lǐng)域均涉及測序方法與技術(shù)研發(fā)，單細胞測序技術(shù)在分子基礎(chǔ)研究和疾病分子機制，如感染性疾病、腫瘤、神經(jīng)精神疾病研究，生物多樣性研究中的應(yīng)用，但美、英較我國更為領(lǐng)先，研究領(lǐng)域也更為廣泛。

我國NSFC、“863計劃”及國家重點研發(fā)計劃目前累計在單細胞測序領(lǐng)域資助經(jīng)費約1億元，明顯低于美國不完全統(tǒng)計的5.4億美元，甚至英國的4千萬英鎊，說明我國在單細胞測序相關(guān)項目中的資助力度仍顯不足。在現(xiàn)有政府財力支持下，需要科學(xué)家們充分利用已有資源，推動單細胞測序技術(shù)進一步發(fā)展，使其在微生物感染、腫瘤診斷、免疫學(xué)、產(chǎn)前篩查和胚胎植入前遺傳學(xué)診斷中得到更好應(yīng)用[8-11]。未來我國還需要加大單細胞測序在免疫學(xué)、神經(jīng)科學(xué)研究，糖尿病及其他疾病的診斷與監(jiān)測研究的投入。