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內蒙古杰出青年培養基金項目主持人左永春:利用“數字胚胎”打開決定牛羊胚胎的“黑匣子”

時間:2021-07-06 15:47   來源:內蒙古自治區科學技術廳基礎研究處、內蒙古大學科技處
  生命起源于早期胚胎,它的誕生是一個復雜、精細又嚴格遵守時空邏輯調控的過程。
  近年來,內蒙古杰出青年培育基金項目主持者內蒙古大學左永春教授和他的科研團隊,圍繞我區草原家畜生殖調控與繁育的分子機理,利用生物信息學手段展開了一系列大數據研究工作,通過“數字胚胎”研究模式打開決定家畜生殖調控與繁育以及胚胎命運的“黑匣子”,對提升我區畜牧業在國際競爭力具有重要的理論意義。
  “數字胚胎”?揭示牛羊早期胚胎發育新模式
  2017年至2020年間,左永春教授團隊在內蒙古杰出青年培育基金項目(2017JQ04)、內蒙古自治區高等學校“青年科技英才支持計劃”(NJYT-18-B01)和國家自然科學基金項目(61561036, 61702290,2061034)等科技項目的資助下,借助2016年內蒙古自治區獲批國家大數據綜合示范區的優勢,圍繞自治區“穩羊增牛”精準育種重大“卡脖子”科學需求和“科技興蒙”行動中的創新舉措,利用生物信息學和計算生物學手段,重點針對哺乳動物早期胚胎發育和體細胞重編程分子信息數據庫開發,以及相關基因組核酸和蛋白質序列的機器學習模型構建等科學問題展開研究。

  “以組學數據為標志的大數據技術和生物信息學研究,正帶動研究人員破解生物的發育特征與機制、精準醫療和精準基因修飾育種技術。”?左永春教授說,我們針對哺乳動物開始逐步建立以草原家畜繁育調控為特色的大動物“數字胚胎”研究模式。
  左永春先后帶領團隊利用計算與實驗學科交叉融合手段,揭示了克隆動物胚胎早期發育受阻的關鍵轉錄因子調控網絡,完成了不同哺乳動物早期胚胎發育基因表達分子信息數據庫EmExplorer,系統解析了體細胞重編程胚胎基因組激活失敗的關鍵分子障礙,開發了物種特異性差異基因識別的方法,發布了早期胚胎發育和造血干細胞時空特異性人工智能預測平臺,完成了先鋒轉錄因子Oct4靶向調控細胞重編程的理論生物學描述,探究了關鍵先鋒轉錄因子Dppa2/4靶向調控合子基因組激活的分子信號途徑。
  科技創新??開發“蛋白智選”大數據分析平臺
  蛋白質是生命活動主要的承擔者,生命的進化最終都體現在蛋白質功能的多樣化上。“蛋白質氨基酸約化分析是對生命進化本質的探索,對于蛋白質合成、拓撲結構預測,功能預測分類以及藥物設計等具有重要的意義。”左永春教授介紹。
  隨著人類基因組測序的完成及各類前沿高通量組學技術在生物醫學領域的廣泛應用使生命科學邁入大數據時代。

  2018年以來,左永春教授課題組利用計算生物學方法,較早地發展了基于DNA物理幾何空間特征參數預測模型,國際上首次將離散增量算法與K近鄰算法有機結合,先后提出了K近鄰平均離散增量算法K-MID和K近鄰最小離散增量算法。建了多個基于蛋白質序列氨基酸約化的蛋白質大數據分析平臺,成功搭建蛋白質序列氨基酸約化與特征提取數據分析平臺,完成了蛋白質氨基酸約化大數據序列分析平臺RAACBook和RaacLogo, 已經獲批具有應用轉化價值的計算機軟件著作權2項,成為國際權威蛋白質氨基酸序列分析的重要平臺之一,并被國際生物信息權威軟件庫OMICTOOLS收錄。
  “隨著在越來越多的層面準確檢測出與疾病和表型相關的遺傳信息,使我們對致病機理和表型遺傳機制的認識和思考也上升到一個全新的水平,單純的實驗生物學或單層次組學數據分析,都有其片面性與孤立性,很難揭示表型產生的本質機理。”左永春教授每次講到這些時都無比激動,面對大規模組學數據,只有生物學科技工作者與生物信息學科技工作者聯合起來,才有可能對生物大數據開展快速和有效的解讀分析、預測和篩選,才有可能探知大數據反映的生物學本質和醫學可解釋性,進而指導生物和醫學的驗證工作。
  立德樹人?做好學生的引路人
  每當討論起生物信息學的發展和未來趨勢時,左永春總是充滿了熱情,從他對自己的科研工作和目前國際形勢的發展動態的介紹中,不難發現他熱愛著這份科研事業,深深鐫刻在他的骨子里是初心不改,奮楫前行的精神。
  “左老師嚴謹的求學態度,發散的科研思維,積極向上的人生態度,勤奮自律的工作作風深深的熏陶著我。”研究生龍春伸堅定地說,“今年我將碩士畢業,但我決定繼續留在左老師的團隊攻讀博士學位。”

  “作為導師,我更愿意把他們推薦到更高水平的科研平臺繼續深造,我也愿意為學生的進步和提升貢獻更多的精力。”左永春教授表示。
  在項目資助期間,左永春教授推薦2013級生命學院本科生賈雪琦到日本攻讀博士學位;推薦2014級生物技術基地呼博蘇保研到中山大學攻讀生物信息學博士研究生;推薦2016級生物工程王澤蓉保研到武漢大學;推薦2016級生物工程許寶芳進入中科院植物所攻讀結構生物信息學研究生。
  “奔著最緊急、最緊迫的問題去。”是左永春教授鼓勵學生常用的一句話,激勵學生在科研路上開展自己的創新之路。
  辛勤的汗水一定會獲得滿滿的收獲,左永春教授先后獲得創新創業優秀指導教師,第四屆全國大學生創新創業大賽優秀成果指導教師獎等,這也更加鼓勵和支持他繼續在專業領域深耕,協助攻克自治區高繁殖力良種選育“卡脖子”問題, 為促進草原生態畜牧業的可持續高效發展提供生物大數據服務,為科技興蒙貢獻更多力量。
  人物簡介

  左永春,男,教授,現為內蒙古大學生命科學學院、省部共建草原家畜生殖調控與繁育國家重點實驗室博士生導師,內蒙古自治區優秀博士學位論文和杰出青年培育基金獲得者;內蒙古自治區高等學校青年科技英才支持計劃項目獲得者,內蒙古自治區草原英才,以及新世紀321人才工程入選者,內蒙古大學“三全育人”先進個人;目前擔任Current Gene Therapy期刊Editorial Board Member、Frontiers in Genetics期刊Guest Associate Editor以及Frontiers出版社的Topics Guest Editor,以及國家自然科學基金評審專家,教育部學位論文通訊評審專家等。
  左永春教授目前是中國細胞生物學學會功能基因組信息學與系統生物學分會委員,中國計算機學會生物信息學專委會通訊委員,內蒙古生物物理與生物信息學會副秘書長、內蒙古生物工程學會、內蒙古生物化學與分子生物學會理事。截至目前,以第一(通訊)作者累計在Briefings in Bioinformatics、Bioinformatics、Cellular and Molecular Life Sciences等領域內權威期刊上發表學術論文70余篇,成果被Nature和PNAS等期刊累計引用1500多次(Google, H=23),先后4篇成果入選ESI 1%?高被引論文,獲得具有轉化價值國家發明專利和軟件著作權4項,參編農業重大科學研究成果專著1部。
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