基于CRISPR的工具在人类细胞中映射基因功能

加州大学旧金山分校的科学家们使用基于CRISPR的高通量技术快速绘制人类细胞中近500个基因的功能，其中许多基因从未详细研究过。

该研究产生了大量新的遗传数据，包括鉴定参与细胞能量产生的新基因，并解释了为什么一些胆固醇药物可用于治疗骨质疏松症而相关药物没有这种效果的长期谜团。但研究人员表示，最重要的研究内容是该研究所展示的新型框架，用于全面绘制人体细胞内基因的功能，并希望最终扩展到整个人类基因组。

“我们对大约1,000到2,000个关键人类基因的功能有了很好的理解 - 当之无愧 - 已经得到很好的研究，”UCSF癌症生物学家Luke Gilbert博士说，他是新研究的两位资深作者之一。“但这只不到人类基因组中25,000个基因的10%。其余的，也许有一半被人研究了至少一点，而另一半我们几乎一无所知。”

“这并不奇怪，因为测试基因功能所需的实验既昂贵又耗时，所以你需要优先考虑你认为可能最重要的基因，”最近完成博士学位的Max Horlbeck博士补充道。该研究的第二位资深作者，在加州大学旧金山分校的细胞生物学家Jonathan Weissman博士的实验室工作。“但是在基因组的其他部分隐藏着可以为多种疾病带来全新治疗方法的谜团，现在我们有一种技术可以快速全面地确定这些未经研究的基因如何适应我们对生物学更广泛的理解“。

在他们于2018年7月19日发表于Cell的新研究中，Horlbeck及其同事使用了一种称为遗传相互作用作图的技术，该技术在过去十年中已经完善，以建立对酵母中基因功能的全面理解，但从未成功应用过。大规模地对人体细胞。

该方法涉及系统地关闭单个细胞中的基因对并测量细胞如何响应，这教导研究人员关于这两个基因之间的关系。在某些情况下，科学家观察到，关闭一对基因对细胞造成的损害与关闭两者的同样多，这表明这两个基因是同一功能系统的一部分 - 就像去除汽车转向的两个不同组成部分一样系统会对汽车的转向能力产生类似的影响。这种数据使研究人员能够快速识别未知功能的基因，作为更大功能系统的一部分。

相比之下，研究人员还可以识别具有独立但协同作用的基因对，当关闭这两种基因时，对细胞的影响要大于单独关闭这两种基因。如果您的汽车的主制动器不起作用，如果您的紧急制动器也用完了，问题会更严重。针对这种协同关系(称为合成致死率)的策略是寻求针对前列腺癌等疾病的制药公司的一个主要优先事项，因为它允许他们设计强大的组合疗法，同时针对多种细胞途径以获得更显着的效果。

遗传链接到能量代谢，DNA修复和骨质疏松症

在这项新研究中，Horlbeck及其同事对先前的实验与细胞生长和存活相关的472个基因进行了相互作用。为此，他们使用了一种称为CRISPR抑制(CRISPRi)的工具，这是CRISPR基因编辑系统的一个版本，可以在不编辑DNA本身的情况下降低基因活性的体积，这是由Weissman开发用于哺乳动物细胞的。 2013年实验室(另见实验室2016年研究解码非编码RNA分子的功能)。

在这里，研究人员使用CRISPRi系统地灭活两种不同白血病细胞系中的基因对 - 一种代表急性淋巴细胞白血病和另一种慢性髓性白血病 - 同时测量对细胞生长的影响。得到的111,628个独特的双基因相互作用的图谱允许研究人员根据它们彼此的关系聚类472个基因，并分配这些簇的功能意义，例如特定的生物途径或细胞内的位置。

“虽然我们之前建立CRISPRi筛选技术的工作使我们能够简单地确定哪些基因在特定环境中是重要的，例如癌细胞增殖，但这扩展了这一点，以便我们可以询问每个基因的功能是什么使它如此重要，“韦斯曼说。

研究人员表明，他们的新基因相互作用图捕获了被研究基因之间已知功能关系的80%，但新数据揭示的大多数强相互作用都是新的 - 未在基因功能的标准数据库中编目。这些包括许多基因对，这些基因对不是直接相互作用，而是与蛋白质复合物的形成或与细胞过程如能量产生独立相关。其他新的基因相互作用揭示了参与蛋白质合成和DNA修复的基因，这是在许多疾病中发挥作用的另外两种关键细胞功能。

细胞通路调节胆固醇代谢，DNA损伤修复

在其他研究结果中，研究人员惊讶地注意到他们研究的两种白血病亚型之间线粒体能量产生途径的显着差异。吉尔伯特说：“你会期望这些必需的基因通路是硬连线的 - 皮肤细胞或白血病细胞也是如此。”“但是发现这两种细胞系之间的差异表明你可以采用不同的方法来治疗这些癌症中的能量产生。这对于T细胞急性淋巴细胞白血病特别令人兴奋，因为它没有很多很好的靶向药物。 “

最后，研究人员在调节胆固醇代谢的细胞通路和调节DNA损伤修复的细胞通路之间发现了一种新的合成致死关系。具体来说，研究人员注意到，当他们灭活一种名为FDPS的基因时，这种基因参与产生胆固醇，细胞高度依赖于一种名为HUS1的DNA修复基因来维持生存。

“立即干扰胆固醇合成会使细胞依赖于DNA损伤反应，这并不是很有意义，”Horlbeck说。“当我们观察胆固醇合成途径中几步之外的另一个基因并发现它与DNA修复基因完全没有相互作用时，它的意义就更小了。”

进一步的实验表明了这个难题的可能解决方案 - 这也可能解决长期存在的药理学谜团。FDPS基因负责在产生胆固醇的途中修饰一种名为IPP的化学物质。当FDPS被抑制时，IPP在细胞中积聚并且 - 研究人员认为 - 导致DNA损伤，需要不断修复细胞才能存活。

重要的是，FDPS是一类称为双膦酸盐的抗胆固醇药物的靶标，其具有增加骨密度的有用副作用。这使得它们成为骨质疏松症的主要治疗方法之一，在美国影响大约30%的绝经后妇女为什么抗胆固醇药物应该影响骨密度从未明确，药物公司已经尝试过但未能产生类似的治疗效果与其他胆固醇药物，如重磅炸弹Lipitor。

新数据表明为什么：双膦酸盐，而不是其他抗胆固醇药物，可能通过破骨细胞中的IPP积聚引发DNA损伤，破骨细胞是骨质疏松症中涉及骨质破坏的细胞。通过减少破骨细胞的数量，该药物可以帮助恢复骨密度，其他抗胆固醇药物不会。

研究人员希望尽快扩大人类细胞基因定位实验的规模，重点关注其他疾病，如肺癌和前列腺癌，并专注于确定负责药物反应和耐药性的基因。

“到目前为止，科学已经产生了许多关于驱动人类疾病的特定突变的数据，我们对哪些细胞表达人体基因有很好的认识，但我们从根本上不了解基因如何在人体细胞中协同工作，“吉尔伯特说。“通过这种新方法，我们开始构建一幅关于遗传相互作用如何保持组织健康或推动疾病过程的画像，但还有很多东西需要学习。”