Science：科學(xué)家完成了有史以來(lái)最復(fù)雜的人類細(xì)胞系工程！

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2025-02-06 13:58:00【大中小】

摘要：科學(xué)家們完成了有史以來(lái)最復(fù)雜的人類細(xì)胞系工程。

科學(xué)家們完成了有史以來(lái)最復(fù)雜的人類細(xì)胞系工程，揭示了我們的基因組比以前認(rèn)為的更能適應(yīng)重大的結(jié)構(gòu)變化。

來(lái)自威康桑格研究所、倫敦帝國(guó)理工學(xué)院、美國(guó)哈佛大學(xué)的研究人員及其合作者利用CRISPR prime editing技術(shù)在細(xì)胞系中創(chuàng)建了多個(gè)版本的人類基因組，每個(gè)版本都有不同的結(jié)構(gòu)變化。通過(guò)基因組測(cè)序，他們能夠分析這些結(jié)構(gòu)變異對(duì)細(xì)胞存活的遺傳影響。

1月30日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)研究表明，只要基本基因保持完整，我們的基因組就可以承受重大的結(jié)構(gòu)變化，包括遺傳密碼的大量缺失。這項(xiàng)工作為研究和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變異在疾病中的作用打開(kāi)了大門。

圖1 通過(guò)重復(fù)元件之間的工程重組使人類基因組隨機(jī)化

結(jié)構(gòu)變異是生物體基因組結(jié)構(gòu)的變化，如基因序列的缺失、重復(fù)和反轉(zhuǎn)?；蚪M的這些結(jié)構(gòu)變化可能是顯著的，有時(shí)會(huì)影響數(shù)百到數(shù)千個(gè)核苷酸——DNA和RNA的基本組成部分。

結(jié)構(gòu)變異與發(fā)育性疾病和癌癥有關(guān)。然而，由于無(wú)法設(shè)計(jì)這些基因變化，我們研究哺乳動(dòng)物基因組結(jié)構(gòu)變化的影響以及它們?cè)诩膊≈兴鹱饔玫哪芰σ恢焙芾щy。

為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員和他們的合作者著手開(kāi)發(fā)創(chuàng)造和研究結(jié)構(gòu)變異的新方法。

在一項(xiàng)新的研究中，該團(tuán)隊(duì)將CRISPR prime editing和人類細(xì)胞系（培養(yǎng)皿中的人類細(xì)胞群）結(jié)合起來(lái)，在一次實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了數(shù)千種人類基因組結(jié)構(gòu)變異。

為了做到這一點(diǎn)，研究人員使用了啟動(dòng)prime editing先導(dǎo)編輯技術(shù)，將一個(gè)識(shí)別序列插入到人類細(xì)胞系的基因組中，以重組酶作為目標(biāo)——重組酶使研究小組能夠“洗牌”基因組。通過(guò)將這些重組酶手柄插入到重復(fù)序列中，這些重復(fù)序列是基因組中成百上千個(gè)相同的序列，用一個(gè)prime editor，他們能夠?qū)⒍噙_(dá)1700個(gè)重組酶識(shí)別位點(diǎn)整合到每個(gè)細(xì)胞系中。這導(dǎo)致每個(gè)細(xì)胞發(fā)生100多個(gè)隨機(jī)的大規(guī)模遺傳結(jié)構(gòu)變化。這是第一次有可能對(duì)哺乳動(dòng)物基因組進(jìn)行“洗牌”，尤其是在這種規(guī)模下。

研究小組隨后研究了結(jié)構(gòu)變化對(duì)人類細(xì)胞系的影響。通過(guò)基因組測(cè)序，研究小組能夠在幾周內(nèi)拍攝人類細(xì)胞及其“重組”基因組的“快照”，觀察哪些細(xì)胞存活了下來(lái)，哪些死亡了。

正如預(yù)期的那樣，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)變異刪除必要基因時(shí)，這些基因被大量選擇，細(xì)胞死亡。然而，他們發(fā)現(xiàn)，基因組中有大規(guī)模缺失的細(xì)胞群，避免了必要的基因，存活了下來(lái)。

該團(tuán)隊(duì)還對(duì)人類細(xì)胞系進(jìn)行了RNA測(cè)序，以測(cè)量基因活性，即基因表達(dá)。這表明，遺傳密碼的大規(guī)模缺失，特別是在非編碼區(qū)域，似乎并不影響細(xì)胞其余部分的基因表達(dá)。

圖2 隨機(jī)化人類基因組

研究人員認(rèn)為，人類基因組對(duì)結(jié)構(gòu)變異具有極強(qiáng)的容忍度，包括改變數(shù)百個(gè)基因位置的變異，只要必要的基因沒(méi)有被刪除。此外，他們還質(zhì)疑人類基因組中的非編碼DNA是否可有可無(wú)，但還需要進(jìn)一步的研究，在更多的細(xì)胞系中設(shè)計(jì)更多的缺失。

在今天發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇相關(guān)論文中，華盛頓大學(xué)的研究人員也有類似的目標(biāo)，即大規(guī)模創(chuàng)造結(jié)構(gòu)變異并研究它們對(duì)人類基因組的影響。這個(gè)研究小組采用了一種不同的方法，將重組酶位點(diǎn)添加到轉(zhuǎn)座子（可移動(dòng)的遺傳元件）上，這些轉(zhuǎn)座子隨機(jī)整合在人類細(xì)胞系和小鼠胚胎干細(xì)胞的基因組中。

利用他們的方法，他們證明了誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變異的影響可以通過(guò)單細(xì)胞RNA測(cè)序來(lái)讀取。這一進(jìn)展為結(jié)構(gòu)變異影響的大篩選鋪平了道路，有可能改善人類基因組中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變異的分類，使其具有良性或臨床意義。兩項(xiàng)研究都得出了類似的結(jié)論，即人類基因組對(duì)一些實(shí)質(zhì)性的結(jié)構(gòu)變化具有驚人的耐受性，盡管這種耐受性的全面程度仍有待于這些技術(shù)在未來(lái)的研究中探索。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究提出了迄今為止最工程化的人類細(xì)胞系。有史以來(lái)第一次，研究人員能夠在單個(gè)實(shí)驗(yàn)中大規(guī)模地創(chuàng)建人類基因組的結(jié)構(gòu)變體，并分析我們基因組的許多隨機(jī)版本。

這項(xiàng)工作將增加我們對(duì)結(jié)構(gòu)變異在疾病中的作用的理解，這可能最終導(dǎo)致對(duì)個(gè)體結(jié)構(gòu)變異的破壞性做出預(yù)測(cè)。這項(xiàng)研究還有助于縮小基因組的范圍，以探索導(dǎo)致疾病的結(jié)構(gòu)變異，特別是如果非編碼DNA可以被忽略的話。

此外，有了這個(gè)新工具，科學(xué)家們可以產(chǎn)生具有進(jìn)化特性的新型流線型細(xì)胞系，例如優(yōu)化生長(zhǎng)，研究耐藥性，或通過(guò)生物工程來(lái)制造藥物。

Jonas Koeppel博士說(shuō)：“如果基因組是一本書(shū)，你可以把單個(gè)核苷酸變異想象成一個(gè)錯(cuò)別字，而結(jié)構(gòu)變異就像撕掉一整頁(yè)。眾所周知，這些結(jié)構(gòu)變異在發(fā)育性疾病和癌癥中發(fā)揮作用，但很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)它們進(jìn)行研究。通過(guò)創(chuàng)造性和協(xié)作性思維，我們已經(jīng)能夠在人類細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)雜的工程，這是以前沒(méi)有人做過(guò)的。通過(guò)大規(guī)模重組人類細(xì)胞系的基因組，我們已經(jīng)證明，我們的基因組足夠靈活，可以承受重大的結(jié)構(gòu)變化。這些工具將有助于將未來(lái)的研究重點(diǎn)放在結(jié)構(gòu)變異及其在疾病中的作用上。”

Raphael Ferreira博士是第一作者之一，也是哈佛醫(yī)學(xué)院Church實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，他說(shuō)：“我們的研究之所以成為可能，是因?yàn)檎_的成分組合在正確的時(shí)間出現(xiàn)了：基因組測(cè)序的規(guī)模、尖端的基因組工程和重組酶的使用。更重要的是，我們的科學(xué)跨越全球邊界的開(kāi)放性和合作性。我們的團(tuán)隊(duì)各自都有類似的想法，并聚集在一起，使這些開(kāi)創(chuàng)性的研究成為現(xiàn)實(shí)。”

“十年前，人們認(rèn)為需要幾十年的工作和數(shù)億美元才能設(shè)計(jì)出一個(gè)可重新排列的人類基因組，科學(xué)家可以用它來(lái)研究基因組結(jié)構(gòu)，但這項(xiàng)工作顯示了一種現(xiàn)在就可以實(shí)現(xiàn)的方法。想想我們可以從可重新排列的基因組中學(xué)到什么新的生物學(xué)知識(shí)，以及它下一步的發(fā)展方向，這是令人興奮的。”Tom Ellis說(shuō)。

“這些研究代表了人類基因組結(jié)構(gòu)變異的平行創(chuàng)建和評(píng)估的一個(gè)步驟變化。在過(guò)去的幾十年里，每次創(chuàng)造一種變異的工具都是可行的，但我們已經(jīng)證明，詢問(wèn)變異并大規(guī)模地隨機(jī)化人類基因組現(xiàn)在是可行的。這為疾病相關(guān)變異的研究提供了新的切入點(diǎn)，也為生物工程提供了機(jī)會(huì)。”Leopold Parts博士說(shuō)。

參考資料

[1] Randomizing the human genome by engineering recombination between repeat elements