美、英及我國政府對單細胞測序研究及應用領域的基金資助

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隨著全球精準醫學的快速發展，基因測序技術已成為最具潛力、最富活力的生物科技領域之一。

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的變化、變異至關重要[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明的單細胞基因組擴增新技術(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年最具發展前景的六大科學領域之一”，NatureMethods雜志也將其評為“2013年度技術”，認為該技術將改變生物界和醫學界的許多領域[2]。

美國、歐盟等發達國家和地區政府對該領域投入了大量資金，促進單細胞測序技術的改進與應用。

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

1 資料和方法

1.1 基金數據來源

本文中的政府基金資助指由國家和地區政府及其所屬管理機構等提供的基金資助，如美國國立衛生研究院 (NIH)、國家科學基金會(NSF)，以及英國的英國研究理事會(RCUK)。我國的國家自然科學基金、“863計劃”、國家重點研發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用領域包括單細胞測序技術的研發及利用該技術得到的測序結果進行分析的研究，即與測序相關的、單細胞水平上的、包括測序相關技術及利用測序結果進行分析的研究，不涉及針對序列本身的分析。

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

1.2 方法

用Excel軟件統計基金項目數和經費數的時間分布、機構分布、課題負責人分布及項目類型分布并繪圖。人工判讀標題和摘要，結合已有的資助領域，對各機構的研究領域分組。

2 結果

2.1 美國聯邦機構對單細胞測序相關項目的資助

2.1.1 資助力度與資助領域

通過Federal RePORTER資助項目檢索平臺，檢索到截至2016財年，美國聯邦機構在單細胞測序相關領域共資助915個項目，不同財年同項目標題去重合并后為481項，累計經費5.39億美元[3]。

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

圖1 美國聯邦機構對單細胞測序相關項目的資助

各聯邦機構對單細胞測序相關研究與應用領域的資助以國立衛生研究院(NIH)為主，經費數占總量的88%，其他資助機構為國家科學基金會(NSF)、國防部國會指導醫學研究項目(CDMRP)和退伍軍人事務部(VA)(表1)。

表1 美國聯邦機構對單細胞測序相關項目的資助

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

表2 美國聯邦機構對單細胞測序相關研究與應用領域的資助

2.1.2 獲得資助的機構與負責人

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

表3 獲美國聯邦機構單細胞測序相關領域資助經費的前10位機構

美國聯邦機構的資助中有45個項目提供給22家企業(機構名含有CORPORATION或INC、LLC后綴)，資助機構主要為NIH，NSF和CDMRP各自資助了6項和1項，經費合計3 270萬美元(表5)，占美國聯邦機構對單細胞測序相關領域資助總額的6%。其中獲得資助額最多的機構是“克雷格·文特爾研究所”，達1 000萬美元。獲資助經費前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、多發性硬化、自身免疫疾病等疾病的基因組學或轉錄組學分析，細胞活性監測，以及單細胞測序相關試劑盒、單細胞分選與測序技術開發等。

表4 獲美國聯邦機構單細胞測序相關領域資助經費的前10位科學家

表5 獲美國聯邦機構單細胞測序相關領域資助的企業

2.2 英國對單細胞測序相關項目的資助

2.2.1 資助力度與資助領域分布

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

RCUK目前資助的單細胞測序相關項目共88項[4]。對外資助的研究項目(Research Grant)共71項，經費共計4 298萬英鎊，主要研究領域分布于單細胞測序相關方法與技術研究、單細胞測序技術應用于分子基礎研究和疾病分子機制研究、生物多樣性與生態學研究(表6)。

表6 RCUK單細胞測序相關領域資助經費分布

英國單細胞測序相關研究主要資助機構為RCUK成員理事會生物技術與生物科學研究理事會(BBSRC)、醫學研究理事會(MRC)、工程和物理科學研究委員會(EPSRC)和英國自然環境研究委員會(NERC)(圖2)。其中BBSRC資助的項目數和經費最多，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單細胞測序相關領域經費的前10位科學家

2.2.2 受資助的機構與負責人

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”由倫敦帝國學院的David R.Klug承擔。David R.Klug在該項目中獲得513萬英鎊經費，也是目前RCUK在單細胞測序領域單項及累計資助最多的科學家(圖2)。倫敦帝國學院共獲得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(圖3)。

圖3 獲英國RCUK單細胞測序相關領域經費的前10位機構

2.3 我國單細胞測序相關項目的資助

2.3.1 資助力度與資助方向

2.3.1.1 國家自然科學基金(NSFC)[5]

2010年，NSFC資助2個細胞測序相關研究項目單，經費77萬元。

2012年，原中國人民解放軍第三軍醫大學吳玉章主持的“單細胞轉錄組技術用于肝臟浸潤T細胞在慢性乙型肝炎中的作用機制研究”作為國際(地區)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域的關注上升，NSFC投入1 500萬元用于相關研究，2014-2015年資助項目數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在單細胞測序領域的資助力度

資助的研究領域中，以單細胞測序儀器和技術開發經費最多，目前已資助約3 000萬元，其中對腫瘤研究與監測、胚胎發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。各相關領域的資助情況見表7。

表7 NSFC對單細胞測序相關領域的資助

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注的方向之一，共設立3個研究方向，分別是單細胞測序技術的改進及其在腫瘤防治、生殖醫學領域的應用。

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計劃“精準醫學研究”重點專項。

在2016年度“精準醫學研究”的申請指南中，研究方向繼續沿襲了“863計劃”對單細胞測序技術與方法及其在腫瘤防治、生殖醫學領域的應用研究，并將“臨床用單細胞組學技術研發”作為“面向未來精準醫學應用的其他組學技術研發”的第一個研究方向，其目的是為了全面發展和完善單細胞基因組、轉錄組、表觀基因組高通量測序技術和方法，建立單細胞的快速分離、捕獲、提取、培養與精準表征系統，深入推進單細胞技術在癌癥血液檢測、腫瘤干細胞、腫瘤特定區域、特定功能細胞研究中的應用，深入推進單細胞技術在胚胎植入前診斷和篩查、生殖細胞研究中的應用[7]。

2.3.2 主要受資助機構與負責人

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和負責人信息來自國家重點研發計劃和NSFC公布項目。

已公布的國家重點研發計劃資助項目中，北京大學的張澤民和博奧生物集團有限公司的郭弘妍各承擔一項單細胞組學技術開發相關項目，經費分別為1 350和900萬元。

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

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

北京大學是目前獲得NSFC在單細胞測序領域資助金額最多的單位。

獲資助金額排名在前5位的單位及研究內容見表8。研究領域主要有單細胞測序儀器和技術開發、腫瘤、胚胎發育、干細胞研究、微生物基因組及醫學免疫學。

獲得NSFC資助的金額在200萬元以上的8位科學家及其具體研究方向見表9。他們的研究領域主要為單細胞測序儀器和技術開發、腫瘤、胚胎發育、干細胞研究、微生物基因組、醫學免疫學和神經損傷修復。

表8 單細胞測序領域獲得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研究的科學家的研究方向

3 結論與討論

單細胞測序在組織器官內細胞基因組的異質性研究、干細胞的異質性研究、生殖細胞的遺傳重組研究、胚胎的植入前遺傳學診斷研究、法醫學少量DNA測序等方面擁有無與倫比的優勢。認識到單細胞測序在生物醫學研究與應用中的重要價值后，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年的國家重點研發計劃集中財力，重點資助單細胞測序技術的改進及其在微生物、腫瘤和生殖醫學等領域的應用。美國、英國和中國的研究和應用領域均涉及測序方法與技術研發，單細胞測序技術在分子基礎研究和疾病分子機制，如感染性疾病、腫瘤、神經精神疾病研究，生物多樣性研究中的應用，但美、英較我國更為領先，研究領域也更為廣泛。

我國NSFC、“863計劃”及國家重點研發計劃目前累計在單細胞測序領域資助經費約1億元，明顯低于美國不完全統計的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項目中的資助力度仍顯不足。在現有政府財力支持下，需要科學家們充分利用已有資源，推動單細胞測序技術進一步發展，使其在微生物感染、腫瘤診斷、免疫學、產前篩查和胚胎植入前遺傳學診斷中得到更好應用[8-11]。未來我國還需要加大單細胞測序在免疫學、神經科學研究，糖尿病及其他疾病的診斷與監測研究的投入。