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在一項新的研究中，來自美國加州大學舊金山分校的研究人員使用一種基于CRISPR的高通量技術快速地繪制人細胞中將近500個基因的功能圖譜，其中的許多基因之前從未被詳細地研究過。相關研究結果于2018年7月19日在線發表在Cell期刊上，論文標題為“Mapping the Genetic Landscape of Human Cells”。
這項研究產生了大量新的遺傳數據，包括鑒定出參與細胞能量產生的新基因，并解釋了為何一些膽固醇藥物可用于治療骨質疏松癥而相關藥物沒有這種效果的長期謎團。但是，這些研究人員說，一個為重要的研究結果就是這項研究展示了一個用于繪制人細胞中基因功能的新框架，而且他們希望這終擴展到整個人類基因組。
圖片來自University of California, San Francisco。
論文共同通信作者、加州大學舊金山分校癌癥生物學家Luke Gilbert博士說，“我們對大約1000到2000個至關重要的人類基因的功能有了很好的理解---當之無愧---它們已經得到很好的研究。但是這占人類基因組中的25000個基因的10％不到。在其余的基因中，可能有一半至少被人研究過一點，而對另一半我們幾乎一無所知。”
近在加州大學舊金山分校細胞生物學家Jonathan Weissman（另一名論文共同通信作者）博士的實驗室完成博士學位的Max Horlbeck博士補充道，“這并不奇怪，這是因為測試基因功能所需的實驗是既昂貴又耗時的，因此你需要優先考慮你認為很可能為重要的基因。但是，基因組的其他部分隱藏著可能開發出針對多種疾病的全新療法的秘密。如今，我們有了一種技術，它能夠快速而又全面地確定這些未經研究的基因如何適應我們對生物學的更廣泛理解。”
在這項新的研究中，Horlbeck及其同事們使用了一種被稱作基因相互作用圖譜（genetic interaction mapping）的技術，該技術在過去十年中已經得到完善，用于建立對酵母中基因功能的全面理解，但從未成功地大規模地應用于人細胞中。
這種方法涉及系統性地關閉單個細胞中的成對基因并測量細胞如何作出反應，這就讓人了解這兩個基因之間的關系。在某些情況下，科學家們觀察到，關閉一對基因中的任何一個給細胞造成的損害與同時關閉這對基因時的同樣多，這提示著這兩個基因是同一個功能系統中的一部分。這些數據讓人們能夠快速地識別未知功能的基因是較大的功能系統的一部分。
相比之下，科學家們還能夠鑒定出成對的具有獨立功能但協同發揮作用的基因，這時關閉這兩個基因給細胞帶來的影響要顯著大于單獨關閉這兩個基因中的任何一個時帶來的影響。一種靶向這種協同關系---也被稱作合成致死性（synthetic lethality）---的策略是尋求靶向前列腺癌等疾病的制藥公司的一個主要的優先目標，這是因為這允許這些制藥公司設計出強大的組合療法以便同時靶向多種細胞途徑而獲得更加顯著的效果。
能量代謝、DNA修復和骨質疏松癥的遺傳關聯性
在這項新研究中，Horlbeck及其同事門對之前的實驗中揭示的與細胞生長和存活相關的472個基因進行了基因相互作用圖譜分析。為此，他們使用了一種被稱作CRISPR抑制（CRISPR inhibition, CRISPRi）的工具。CRISPRi是CRISPR基因編輯系統的一個改進版本，能夠在不編輯DNA本身的情況下降低基因活性。CRISPRi是Weissman實驗室在2013年開發出來用于哺乳動物細胞中的，而且2016年，Weissman實驗室利用它破解非編碼RNA分子的功能（Science, doi:10.1126/science.aah7111）。
這些研究人員利用CRISPRi系統性地讓兩種不同白血病細胞系中的成對基因---一種細胞系代表急性淋巴細胞白血病（ALL）和另一種細胞系代表慢性髓性白血病（CML）---滅活，同時測量對細胞生長的影響。由此產生的111628個*的雙基因相互作用圖譜允許這些研究人員根據它們彼此之間的關系將472個基因分為不同的基因簇，并為這些基因簇分配功能意義，比如特定的生物通路或在細胞內的位置。
Weissman說，“雖然我們之前建立這種CRISPRi篩選技術的研究工作允許我們能夠簡單地確定哪些基因在特定環境（比如癌細胞增殖）中起著重要的作用，但是這項研究對此加以擴展，從而讓我們想要知道如此重要的每個基因的功能是什么。”
這些研究人員證實他們的新型基因相互作用圖譜捕獲了被研究的基因之間的80％的已知的功能關系，不過這些新數據揭示出的大多數較強的相互作用都是新發現的---它們并沒有在標準的基因功能數據庫中加以登入。這些較強的相互作用包括很多成對的已知并未直接地相互作用但是與蛋白復合物的形成或能量產生等細胞過程獨立相關的基因。其他新的基因相互作用揭示出參與蛋白合成和DNA修復的基因，其中蛋白合成和DNA修復是在許多疾病中發揮作用的另外的兩個關鍵細胞功能。
調節膽固醇代謝、DNA損傷修復的細胞通路
在其他的研究結果中，這些研究人員吃驚地注意到線粒體能量產生途徑在他們研究的兩種白血病亞型之間存在著顯著差異。Gilbert說，“你曾期待發現這些必需的基因通路是密切相關的 ---在皮膚細胞或白血病細胞中都是如此。但是發現兩種白血病細胞系之間的差異提示著你可能采用不同的方法在治療上靶向這些癌癥中的能量產生。這對T細胞急性淋巴細胞白血病而言是特別令人興奮的，這是因為它沒有很多很好的靶向藥物。”
后，這些研究人員發現調節膽固醇代謝的細胞通路和調節DNA損傷修復的細胞通路之間存在著一種新的合成致死性關系。具體來說，這些研究人員注意到當他們讓一個參與膽固醇產生的被稱作FDPS的基因失活時，細胞為了生存而高度依賴于一個被稱作HUS1的DNA修復基因。
Horlbeck說，“我們不太理解為何干擾膽固醇合成會讓細胞依賴于DNA損傷反應。當研究膽固醇合成途徑中僅相隔幾步的另一個基因時，我們發現它與DNA修復基因*沒有相互作用，這就更讓我們暈頭轉向了。”
進一步的實驗提出了針對這個難題的一個可能的解決方案---它也可能解決一個長期存在的藥理學謎團。在產生膽固醇的途徑中，FDPS基因負責修飾一種被稱作IPP的化學物質。當FDPS受到抑制時，IPP在細胞中堆積而且---這些研究人員認為---這會導致DNA損傷，對細胞而言，它就需要不斷對DNA損傷進行修復才能存活下去。
重要的是，FDPS是一類被稱作雙磷酸鹽類藥物（bisphosphonate）的抗膽固醇藥物的靶標，其中這類藥物具有一種增加骨密度的有用的副作用。這使得它們成為骨質疏松癥的一種主要的治療方法之一。在美國，骨質疏松癥影響著大約30％的絕經后婦女。抗膽固醇藥物影響骨密度的原因一直是不清楚的，而且制藥公司已嘗試過開發具有與其他的膽固醇藥物---比如藥物立普妥（Lipitor）---相類似的治療效果的藥物，但是失敗了。
這些新數據給出了一種原因：雙膦酸鹽，而不是其他的抗膽固醇藥物，可能通過破骨細胞（osteoclast）中的IPP堆積來觸發DNA損傷。通過減少破骨細胞的數量，這類藥物可能有助于恢復骨密度，但是其他的抗膽固醇藥物不會做到這一點。
這些研究人員希望盡快地擴大在人細胞中開展的基因圖譜實驗的規模，重點關注肺癌和前列腺癌等其他疾病，并專注于鑒定出負責藥物反應和耐藥性的基因。
Gilbert說，“到目前為止，科學領域已產生了許多關于促進人類疾病產生的特定突變的數據，而且我們對人體中哪些細胞表達哪些基因有很好的想法，但是我們從根本上并不了解基因如何在人體細胞中一起發揮作用。通過這種新方法，我們開始了解基因相互作用如何讓組織保持健康或促進疾病產生，但是還有很多東西需要了解。”（生物谷）
參考資料：
Max A. Horlbeck, Albert Xu, Min Wang et al. Mapping the Genetic Landscape of Human Cells. Cell, Published online: July 19, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.06.010
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