在人類基因組計劃于2003年完成之后 - 人類基因組中對所有30億個“字母”或堿基對進行了測序 - 許多人認為我們的DNA將成為一本開放的書。但是一個令人困惑的問題很快就出現(xiàn)了：盡管科學(xué)家們可以轉(zhuǎn)錄這本書，但他們只能解釋一小部分。神秘的大多數(shù) - 多達98% - 我們的DNA不編碼蛋白質(zhì)。這種“暗物質(zhì)基因組”大部分都被認為是非功能性的進化殘羹剩飯。然而，隱藏在這種非編碼DNA中的是控制數(shù)千個基因活性的許多重要調(diào)控元件。更重要的是，這些元素在癌癥，心臟病和自閉癥等疾病中發(fā)揮著重要作用，它們可以成為可能治愈的關(guān)鍵。

2017年2月2日，美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)宣布為全國范圍的項目設(shè)立新的撥款資金，作為完全繪制和注釋人類基因組功能序列的主要持續(xù)努力的一部分，包括這種沉默的大多數(shù)五個“表征中心”，包括加州大學(xué)舊金山分校的兩個，用于研究這些調(diào)控元素如何影響基因表達，從而影響細胞行為。

該項目的目標是科學(xué)家利用最新技術(shù)，如基因組編輯，深入了解有朝一日可能導(dǎo)致復(fù)雜遺傳病治療的人類生物學(xué)。

基因組語法的重要性

在人類基因組計劃的不足之后，國家人類基因組研究所(NHGRI)于2003年9月啟動了DNA元素百科全書(ENCODE)項目。ENCODE的目標是找到人類基因組的所有功能區(qū)域，無論它們是否形成基因。

美國國立衛(wèi)生研究院項目主任Elise Feingold博士說：“人類基因組計劃繪制了人類基因組的字母，但沒有告訴我們?nèi)魏侮P(guān)于語法的信息：標點符號在哪里，起點和終點在哪里。” “這就是ENCODE正在努力做的事情。”

該倡議顯示，數(shù)百萬這些非編碼字母序列執(zhí)行必要的調(diào)節(jié)操作，例如在不同類型的細胞中打開或關(guān)閉基因。然而，雖然科學(xué)家已經(jīng)確定這些調(diào)節(jié)序列具有重要功能，但他們不知道每個序列的功能是什么，也不知道每個序列影響哪個基因。這是因為序列通常遠離其目標基因 - 在某些情況下遠離數(shù)百萬個字母。而且，許多序列在不同類型的細胞中具有不同的作用。

NHGRI的新補助金將允許五個新中心開展工作，以確定這些監(jiān)管序列的功能和基因目標。在加州大學(xué)舊金山分校，其中兩個中心將設(shè)在Nadav Ahituv博士和Yin Shen博士的實驗室。其他三個表征中心將設(shè)在斯坦福大學(xué)，康奈爾大學(xué)和勞倫斯伯克利國家實驗室。其他中心將繼續(xù)關(guān)注繪圖，計算分析，數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。

細胞條形碼顯示監(jiān)管功能

新技術(shù)使監(jiān)管序列的功能和目標更容易識別?？茖W(xué)家現(xiàn)在可以操縱細胞以獲得有關(guān)其DNA的更多信息，并且，由于高通量篩選，他們可以大批量進行，在一個實驗中測試數(shù)千個序列而不是逐個測試。

“過去在基因組的非編碼部分測試功能非常困難，”生物工程和治療科學(xué)系教授Ahituv說。“有了基因，就可以更容易地評估效果，因為相應(yīng)的蛋白質(zhì)會發(fā)生變化。但是對于調(diào)控序列，你不知道DNA的變化會導(dǎo)致什么變化，因此很難預(yù)測功能輸出。”

Ahituv和Shen都在使用創(chuàng)新技術(shù)研究增強子，這些增強子在基因表達中起著重要作用。人體內(nèi)的每個細胞都含有相同的DNA。決定細胞是皮膚細胞還是腦細胞或心臟細胞的因素是打開和關(guān)閉哪些基因。增強子是打開細胞類型特異性基因的秘密開關(guān)。

在ENCODE的前一階段，Ahituv和華盛頓大學(xué)的合作者Jay Shendure博士開發(fā)了一種基于慢病毒的大規(guī)模平行報告基因檢測技術(shù)，用于鑒定增強子。通過新的資助，他們將使用該技術(shù)測試ENCODE先前確定的100,000個調(diào)控序列中的增強子。

他們的方法將每個調(diào)控序列與15個隨機生成的字母的獨特DNA條形碼配對。甲報道基因被卡在序列和條形碼之間，以及整個包被插入到細胞中。如果調(diào)節(jié)序列是增強子，則報告基因?qū)⒋蜷_并激活條形碼。然后DNA條形碼將編碼細胞中的RNA。

一旦研究人員發(fā)現(xiàn)報告基因被打開，他們就可以輕松地對細胞中的RNA進行測序，以查看哪個條形碼被激活。然后，他們將條形碼與其相應(yīng)的調(diào)節(jié)序列相匹配，科學(xué)家現(xiàn)在知道這是一個增強劑。

“通過以前的增強子檢測，您必須逐個檢測每個序列，”Ahituv解釋說。“通過我們的方法，我們可以克隆數(shù)千個序列以及數(shù)千個條形碼，并立即對它們進行測試。”

刪除序列以了解其角色

Shen是神經(jīng)病學(xué)系和人類遺傳學(xué)研究所的助理教授，他正在采用不同的方法來表征調(diào)節(jié)序列的功能。她與路德維希癌癥研究所和加州大學(xué)圣地亞哥分校的前任導(dǎo)師Bing Ren博士合作開發(fā)了一種高通量CRISPR-Cas9篩選方法，用于檢測非編碼序列的功能?，F(xiàn)在，Shen和Ren正在使用這種方法來識別哪些序列具有調(diào)節(jié)功能，以及它們影響哪些基因。

Shen將使用CRISPR編輯大量細胞庫中的數(shù)萬個調(diào)控序列，并跟蹤編輯對通常共表達的60對基因的影響。

對于這項工作，每個細胞將被編程為反映兩種熒光顏色 - 每個基因一個 - 當(dāng)一對基因打開時。如果細胞中的光熄滅，科學(xué)家們就會知道它的靶基因已經(jīng)受到基于CRISPR的序列編輯之一的影響。最后一步是對每個細胞的DNA進行測序，以確定哪個調(diào)控序列編輯導(dǎo)致基因表達的變化。

通過監(jiān)測共表達基因的顏色，沉將揭示許多功能序列和多個基因之間的復(fù)雜關(guān)系，這超出了傳統(tǒng)測序技術(shù)的范圍。

“在最近的CRISPR發(fā)展之前，不可能大規(guī)模地對非編碼序列進行遺傳操作，”Shen說。“現(xiàn)在，CRISPR可以擴大規(guī)模，以便我們可以在一個實驗中篩選出數(shù)千個調(diào)控序列。這種方法不僅告訴我們哪個序列在細胞中起作用，還告訴我們它們調(diào)節(jié)哪個基因。”

暗物質(zhì)DNA可以治療疾病嗎?

通過對數(shù)千個調(diào)控序列的功能進行編目，Shen和Ahituv希望制定關(guān)于如何預(yù)測和解釋其他序列功能的規(guī)則。這不僅有助于闡明暗物質(zhì)基因組的其余部分，還可以揭示復(fù)雜遺傳病的新治療目標。

“已發(fā)現(xiàn)許多人類疾病與調(diào)節(jié)序列有關(guān)，”Ahituv說。“例如，在針對常見疾病(如糖尿病，癌癥和孤獨癥)的全基因組關(guān)聯(lián)研究中，90%的疾病相關(guān)DNA變異體都在非編碼DNA中。因此，它不是一種改變的基因，而是一種調(diào)節(jié)它的基因。 “

由于人類基因組測序的價格已大幅下降，因此有人談?wù)撌褂镁珳梳t(yī)學(xué)治療許多嚴重疾病。然而，如何解釋非編碼DNA突變的障礙仍然存在。

“如果我們能夠表征這些功能并確定這些調(diào)控序列的基因目標，我們就可以開始揭示它們的突變是如何導(dǎo)致疾病的，”沉說。“最終，我們甚至可以通過糾正監(jiān)管突變來治療復(fù)雜疾病。”