加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家們使用基于CRISPR的高通量技術(shù)快速繪制人類細(xì)胞中近500個(gè)基因的功能，其中許多基因從未詳細(xì)研究過(guò)。

該研究產(chǎn)生了大量新的遺傳數(shù)據(jù)，包括鑒定參與細(xì)胞能量產(chǎn)生的新基因，并解釋了為什么一些膽固醇藥物可用于治療骨質(zhì)疏松癥而相關(guān)藥物沒(méi)有這種效果的長(zhǎng)期謎團(tuán)。但研究人員表示，最重要的研究?jī)?nèi)容是該研究所展示的新型框架，用于全面繪制人體細(xì)胞內(nèi)基因的功能，并希望最終擴(kuò)展到整個(gè)人類基因組。

“我們對(duì)大約1,000到2,000個(gè)關(guān)鍵人類基因的功能有了很好的理解 - 當(dāng)之無(wú)愧 - 已經(jīng)得到很好的研究，”UCSF癌癥生物學(xué)家Luke Gilbert博士說(shuō)，他是新研究的兩位資深作者之一。“但這只不到人類基因組中25,000個(gè)基因的10%。其余的，也許有一半被人研究了至少一點(diǎn)，而另一半我們幾乎一無(wú)所知。”

“這并不奇怪，因?yàn)闇y(cè)試基因功能所需的實(shí)驗(yàn)既昂貴又耗時(shí)，所以你需要優(yōu)先考慮你認(rèn)為可能最重要的基因，”最近完成博士學(xué)位的Max Horlbeck博士補(bǔ)充道。該研究的第二位資深作者，在加州大學(xué)舊金山分校的細(xì)胞生物學(xué)家Jonathan Weissman博士的實(shí)驗(yàn)室工作。“但是在基因組的其他部分隱藏著可以為多種疾病帶來(lái)全新治療方法的謎團(tuán)，現(xiàn)在我們有一種技術(shù)可以快速全面地確定這些未經(jīng)研究的基因如何適應(yīng)我們對(duì)生物學(xué)更廣泛的理解“。

在他們于2018年7月19日發(fā)表于Cell的新研究中，Horlbeck及其同事使用了一種稱為遺傳相互作用作圖的技術(shù)，該技術(shù)在過(guò)去十年中已經(jīng)完善，以建立對(duì)酵母中基因功能的全面理解，但從未成功應(yīng)用過(guò)。大規(guī)模地對(duì)人體細(xì)胞。

該方法涉及系統(tǒng)地關(guān)閉單個(gè)細(xì)胞中的基因?qū)Σy(cè)量細(xì)胞如何響應(yīng)，這教導(dǎo)研究人員關(guān)于這兩個(gè)基因之間的關(guān)系。在某些情況下，科學(xué)家觀察到，關(guān)閉一對(duì)基因?qū)?xì)胞造成的損害與關(guān)閉兩者的同樣多，這表明這兩個(gè)基因是同一功能系統(tǒng)的一部分 - 就像去除汽車轉(zhuǎn)向的兩個(gè)不同組成部分一樣系統(tǒng)會(huì)對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向能力產(chǎn)生類似的影響。這種數(shù)據(jù)使研究人員能夠快速識(shí)別未知功能的基因，作為更大功能系統(tǒng)的一部分。

相比之下，研究人員還可以識(shí)別具有獨(dú)立但協(xié)同作用的基因?qū)Γ?dāng)關(guān)閉這兩種基因時(shí)，對(duì)細(xì)胞的影響要大于單獨(dú)關(guān)閉這兩種基因。如果您的汽車的主制動(dòng)器不起作用，如果您的緊急制動(dòng)器也用完了，問(wèn)題會(huì)更嚴(yán)重。針對(duì)這種協(xié)同關(guān)系(稱為合成致死率)的策略是尋求針對(duì)前列腺癌等疾病的制藥公司的一個(gè)主要優(yōu)先事項(xiàng)，因?yàn)樗试S他們?cè)O(shè)計(jì)強(qiáng)大的組合療法，同時(shí)針對(duì)多種細(xì)胞途徑以獲得更顯著的效果。

遺傳鏈接到能量代謝，DNA修復(fù)和骨質(zhì)疏松癥

在這項(xiàng)新研究中，Horlbeck及其同事對(duì)先前的實(shí)驗(yàn)與細(xì)胞生長(zhǎng)和存活相關(guān)的472個(gè)基因進(jìn)行了相互作用。為此，他們使用了一種稱為CRISPR抑制(CRISPRi)的工具，這是CRISPR基因編輯系統(tǒng)的一個(gè)版本，可以在不編輯DNA本身的情況下降低基因活性的體積，這是由Weissman開(kāi)發(fā)用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的。 2013年實(shí)驗(yàn)室(另見(jiàn)實(shí)驗(yàn)室2016年研究解碼非編碼RNA分子的功能)。

在這里，研究人員使用CRISPRi系統(tǒng)地滅活兩種不同白血病細(xì)胞系中的基因?qū)?- 一種代表急性淋巴細(xì)胞白血病和另一種慢性髓性白血病 - 同時(shí)測(cè)量對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的影響。得到的111,628個(gè)獨(dú)特的雙基因相互作用的圖譜允許研究人員根據(jù)它們彼此的關(guān)系聚類472個(gè)基因，并分配這些簇的功能意義，例如特定的生物途徑或細(xì)胞內(nèi)的位置。

“雖然我們之前建立CRISPRi篩選技術(shù)的工作使我們能夠簡(jiǎn)單地確定哪些基因在特定環(huán)境中是重要的，例如癌細(xì)胞增殖，但這擴(kuò)展了這一點(diǎn)，以便我們可以詢問(wèn)每個(gè)基因的功能是什么使它如此重要，“韋斯曼說(shuō)。

研究人員表明，他們的新基因相互作用圖捕獲了被研究基因之間已知功能關(guān)系的80%，但新數(shù)據(jù)揭示的大多數(shù)強(qiáng)相互作用都是新的 - 未在基因功能的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中編目。這些包括許多基因?qū)Γ@些基因?qū)Σ皇侵苯酉嗷プ饔?，而是與蛋白質(zhì)復(fù)合物的形成或與細(xì)胞過(guò)程如能量產(chǎn)生獨(dú)立相關(guān)。其他新的基因相互作用揭示了參與蛋白質(zhì)合成和DNA修復(fù)的基因，這是在許多疾病中發(fā)揮作用的另外兩種關(guān)鍵細(xì)胞功能。

細(xì)胞通路調(diào)節(jié)膽固醇代謝，DNA損傷修復(fù)

在其他研究結(jié)果中，研究人員驚訝地注意到他們研究的兩種白血病亞型之間線粒體能量產(chǎn)生途徑的顯著差異。吉爾伯特說(shuō)：“你會(huì)期望這些必需的基因通路是硬連線的 - 皮膚細(xì)胞或白血病細(xì)胞也是如此。”“但是發(fā)現(xiàn)這兩種細(xì)胞系之間的差異表明你可以采用不同的方法來(lái)治療這些癌癥中的能量產(chǎn)生。這對(duì)于T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病特別令人興奮，因?yàn)樗鼪](méi)有很多很好的靶向藥物。 “

最后，研究人員在調(diào)節(jié)膽固醇代謝的細(xì)胞通路和調(diào)節(jié)DNA損傷修復(fù)的細(xì)胞通路之間發(fā)現(xiàn)了一種新的合成致死關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，研究人員注意到，當(dāng)他們滅活一種名為FDPS的基因時(shí)，這種基因參與產(chǎn)生膽固醇，細(xì)胞高度依賴于一種名為HUS1的DNA修復(fù)基因來(lái)維持生存。

“立即干擾膽固醇合成會(huì)使細(xì)胞依賴于DNA損傷反應(yīng)，這并不是很有意義，”Horlbeck說(shuō)。“當(dāng)我們觀察膽固醇合成途徑中幾步之外的另一個(gè)基因并發(fā)現(xiàn)它與DNA修復(fù)基因完全沒(méi)有相互作用時(shí)，它的意義就更小了。”

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明了這個(gè)難題的可能解決方案 - 這也可能解決長(zhǎng)期存在的藥理學(xué)謎團(tuán)。FDPS基因負(fù)責(zé)在產(chǎn)生膽固醇的途中修飾一種名為IPP的化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)FDPS被抑制時(shí)，IPP在細(xì)胞中積聚并且 - 研究人員認(rèn)為 - 導(dǎo)致DNA損傷，需要不斷修復(fù)細(xì)胞才能存活。

重要的是，F(xiàn)DPS是一類稱為雙膦酸鹽的抗膽固醇藥物的靶標(biāo)，其具有增加骨密度的有用副作用。這使得它們成為骨質(zhì)疏松癥的主要治療方法之一，在美國(guó)影響大約30%的絕經(jīng)后婦女為什么抗膽固醇藥物應(yīng)該影響骨密度從未明確，藥物公司已經(jīng)嘗試過(guò)但未能產(chǎn)生類似的治療效果與其他膽固醇藥物，如重磅炸彈Lipitor。

新數(shù)據(jù)表明為什么：雙膦酸鹽，而不是其他抗膽固醇藥物，可能通過(guò)破骨細(xì)胞中的IPP積聚引發(fā)DNA損傷，破骨細(xì)胞是骨質(zhì)疏松癥中涉及骨質(zhì)破壞的細(xì)胞。通過(guò)減少破骨細(xì)胞的數(shù)量，該藥物可以幫助恢復(fù)骨密度，其他抗膽固醇藥物不會(huì)。

研究人員希望盡快擴(kuò)大人類細(xì)胞基因定位實(shí)驗(yàn)的規(guī)模，重點(diǎn)關(guān)注其他疾病，如肺癌和前列腺癌，并專注于確定負(fù)責(zé)藥物反應(yīng)和耐藥性的基因。

“到目前為止，科學(xué)已經(jīng)產(chǎn)生了許多關(guān)于驅(qū)動(dòng)人類疾病的特定突變的數(shù)據(jù)，我們對(duì)哪些細(xì)胞表達(dá)人體基因有很好的認(rèn)識(shí)，但我們從根本上不了解基因如何在人體細(xì)胞中協(xié)同工作，“吉爾伯特說(shuō)。“通過(guò)這種新方法，我們開(kāi)始構(gòu)建一幅關(guān)于遺傳相互作用如何保持組織健康或推動(dòng)疾病過(guò)程的畫像，但還有很多東西需要學(xué)習(xí)。”