Science：科學家完成了有史以來最復雜的人類細胞系工程！
摘要：科學家們完成了有史以來最復雜的人類細胞系工程。
科學家們完成了有史以來最復雜的人類細胞系工程，揭示了我們的基因組比以前認為的更能適應重大的結構變化。
來自威康桑格研究所、倫敦帝國理工學院、美國哈佛大學的研究人員及其合作者利用CRISPR prime editing技術在細胞系中創建了多個版本的人類基因組，每個版本都有不同的結構變化。通過基因組測序，他們能夠分析這些結構變異對細胞存活的遺傳影響。
1月30日發表在《科學》雜志上的這項研究表明，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構變化，包括遺傳密碼的大量缺失。這項工作為研究和預測結構變異在疾病中的作用打開了大門。
圖1 通過重復元件之間的工程重組使人類基因組隨機化結構變異是生物體基因組結構的變化，如基因序列的缺失、重復和反轉。基因組的這些結構變化可能是顯著的，有時會影響數百到數千個核苷酸——DNA和RNA的基本組成部分。
結構變異與發育性疾病和癌癥有關。然而，由于無法設計這些基因變化，我們研究哺乳動物基因組結構變化的影響以及它們在疾病中所起作用的能力一直很困難。
為了克服這一挑戰，研究人員和他們的合作者著手開發創造和研究結構變異的新方法。
在一項新的研究中，該團隊將CRISPR prime editing和人類細胞系（培養皿中的人類細胞群）結合起來，在一次實驗中產生了數千種人類基因組結構變異。
為了做到這一點，研究人員使用了啟動prime editing先導編輯技術，將一個識別序列插入到人類細胞系的基因組中，以重組酶作為目標——重組酶使研究小組能夠“洗牌”基因組。通過將這些重組酶手柄插入到重復序列中，這些重復序列是基因組中成百上千個相同的序列，用一個prime editor，他們能夠將多達1700個重組酶識別位點整合到每個細胞系中。這導致每個細胞發生100多個隨機的大規模遺傳結構變化。這是第一次有可能對哺乳動物基因組進行“洗牌”，尤其是在這種規模下。
研究小組隨后研究了結構變化對人類細胞系的影響。通過基因組測序，研究小組能夠在幾周內拍攝人類細胞及其“重組”基因組的“快照”，觀察哪些細胞存活了下來，哪些死亡了。
正如預期的那樣，他們發現，當結構變異刪除必要基因時，這些基因被大量選擇，細胞死亡。然而，他們發現，基因組中有大規模缺失的細胞群，避免了必要的基因，存活了下來。
該團隊還對人類細胞系進行了RNA測序，以測量基因活性，即基因表達。這表明，遺傳密碼的大規模缺失，特別是在非編碼區域，似乎并不影響細胞其余部分的基因表達。
圖2 隨機化人類基因組
研究人員認為，人類基因組對結構變異具有極強的容忍度，包括改變數百個基因位置的變異，只要必要的基因沒有被刪除。此外，他們還質疑人類基因組中的非編碼DNA是否可有可無，但還需要進一步的研究，在更多的細胞系中設計更多的缺失。
在今天發表在《科學》雜志上的一篇相關論文中，華盛頓大學的研究人員也有類似的目標，即大規模創造結構變異并研究它們對人類基因組的影響。這個研究小組采用了一種不同的方法，將重組酶位點添加到轉座子（可移動的遺傳元件）上，這些轉座子隨機整合在人類細胞系和小鼠胚胎干細胞的基因組中。
利用他們的方法，他們證明了誘導結構變異的影響可以通過單細胞RNA測序來讀取。這一進展為結構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現的結構變異的分類，使其具有良性或臨床意義。兩項研究都得出了類似的結論，即人類基因組對一些實質性的結構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在未來的研究中探索。
總的來說，這項研究提出了迄今為止最工程化的人類細胞系。有史以來第一次，研究人員能夠在單個實驗中大規模地創建人類基因組的結構變體，并分析我們基因組的許多隨機版本。
這項工作將增加我們對結構變異在疾病中的作用的理解，這可能最終導致對個體結構變異的破壞性做出預測。這項研究還有助于縮小基因組的范圍，以探索導致疾病的結構變異，特別是如果非編碼DNA可以被忽略的話。
此外，有了這個新工具，科學家們可以產生具有進化特性的新型流線型細胞系，例如優化生長，研究耐藥性，或通過生物工程來制造藥物。
Jonas Koeppel博士說：“如果基因組是一本書，你可以把單個核苷酸變異想象成一個錯別字，而結構變異就像撕掉一整頁。眾所周知，這些結構變異在發育性疾病和癌癥中發揮作用，但很難通過實驗對它們進行研究。通過創造性和協作性思維，我們已經能夠在人類細胞中進行復雜的工程，這是以前沒有人做過的。通過大規模重組人類細胞系的基因組，我們已經證明，我們的基因組足夠靈活，可以承受重大的結構變化。這些工具將有助于將未來的研究重點放在結構變異及其在疾病中的作用上。”
Raphael Ferreira博士是第一作者之一，也是哈佛醫學院Church實驗室的博士后研究員，他說：“我們的研究之所以成為可能，是因為正確的成分組合在正確的時間出現了：基因組測序的規模、尖端的基因組工程和重組酶的使用。更重要的是，我們的科學跨越全球邊界的開放性和合作性。我們的團隊各自都有類似的想法，并聚集在一起，使這些開創性的研究成為現實。”
“十年前，人們認為需要幾十年的工作和數億美元才能設計出一個可重新排列的人類基因組，科學家可以用它來研究基因組結構，但這項工作顯示了一種現在就可以實現的方法。想想我們可以從可重新排列的基因組中學到什么新的生物學知識，以及它下一步的發展方向，這是令人興奮的。”Tom Ellis說。
“這些研究代表了人類基因組結構變異的平行創建和評估的一個步驟變化。在過去的幾十年里，每次創造一種變異的工具都是可行的，但我們已經證明，詢問變異并大規模地隨機化人類基因組現在是可行的。這為疾病相關變異的研究提供了新的切入點，也為生物工程提供了機會。”Leopold Parts博士說。
參考資料
[1] Randomizing the human genome by engineering recombination between repeat elements
 |
 |
 |
| 官網：www.baichuan365.com | 微信服務號：iseebio | 微博：seebiobiotech |
 |
 |
 |
| 商城：mall.seebio.cn | 微信訂閱號：seebiotech | 泉養堂：www.canmedo.com |
相關資訊
- FDA開啟“人類肝臟芯片”試驗 有望徹底消除動物模型毒理試驗
- 重組胰蛋白酶檢測試劑盒
- Lancet Infect Dis：MERS冠狀病毒疫苗有望治療MERS
- 首次鑒定出再生完整真渦蟲的成體多能性干細胞
- 烯丙基樹突聚合物
- Nature突破：腸道微生物可能會影響ALS的進程
- Nature子刊：首次揭示肝炎和腎損傷之間的聯系
- Seebio培養基促銷
- Cell：癌細胞通過改變核糖體來逃避免疫系統
- Nature子刊：表觀遺傳變化可導致2型糖尿病
推薦產品
新進產品
同類文章排行
- Science：科學家完成了有史以來最復雜的人類細胞系工程！
- 布魯頓酪氨酸激酶抑制使BCL10功能獲得突變體驅動的多藥耐藥DLBCL腫瘤對venetoclax重新敏感
- 《Cell》突破性研究推翻了“DNA環形成”的舊定律
- Cell：微生物組的變化預測性傳播疾病的風險
- Cancer Cell：蛋白水平預測腸癌免疫治療反應
- 《Nature》解鎖未知分子開關：一種特定蛋白質區域導致乳腺癌
- Nature子刊：炎性體保護干細胞免于癌變
- Science先進技術揭示治療性單克隆抗體與CD20分子相互作用機制
- 《Nature》單胺類神經遞質對大腦結構不為人知的作用機制
- 一種以前未知的機制：當細胞的DNA受損時，這種機制會引發細胞的炎癥免疫反應
資訊文章
您的瀏覽歷史
