人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project）是一項(xiàng)雄心勃勃的舉措，旨在對(duì)人類的每個(gè)DNA片段進(jìn)行測(cè)序。該項(xiàng)目吸引了來(lái)自世界各地研究機(jī)構(gòu)（包括包括懷特黑德研究所）的合作者，并最終于2003年完成。如今，二十多年過(guò)去了，懷特黑德研究所成員Jonathan Weissman及其同事們?cè)谝豁?xiàng)新的研究中超越了人類基因組序列，首次全面地構(gòu)建出人類細(xì)胞中表達(dá)的基因的功能圖譜。相關(guān)研究結(jié)果于2022年6月9日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Mapping information-rich genotype-phenotype landscapes with genome-scale Perturb-seq”。他們將每個(gè)基因與它在細(xì)胞中的作用聯(lián)系起來(lái)，這是多年來(lái)在單細(xì)胞測(cè)序方法Perturb-seq上合作的成果。
這些數(shù)據(jù)可以在Weissman實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)站上找到，供其他科學(xué)家使用。Weissman說(shuō)，“這是一個(gè)大資源，就像人類基因組是一個(gè)大資源一樣，你可以進(jìn)去并進(jìn)行基于發(fā)現(xiàn)的研究。與其提前確定你要研究的生物學(xué)，不如擁有這張基因型-表型關(guān)系圖，你可以進(jìn)去篩選這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，而不必做任何實(shí)驗(yàn)?！?/p>
這種篩選使得這些作者能夠深入研究各種生物學(xué)問(wèn)題。他們用它來(lái)探索功能未知的基因?qū)?xì)胞的影響，研究線粒體對(duì)應(yīng)激的反應(yīng)，并篩選出導(dǎo)致染色體丟失或增加的基因，一種在過(guò)去被證明很難研究的表型。論文共同通訊作者、前Weissman實(shí)驗(yàn)室博士后Tom Norman說(shuō)，“我認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)集將使那些來(lái)自生物學(xué)其他領(lǐng)域的人能夠進(jìn)行各種我們甚至還沒(méi)有想到的分析，突然之間他們就有了可以利用的數(shù)據(jù)?！?/p>
開創(chuàng)性的Perturb-seq
這項(xiàng)新的研究利用了Perturb-seq方法，該方法可以以前所未有的深度追蹤開啟或關(guān)閉基因的影響。該方法由包括Weissman和麻省理工學(xué)院教授Aviv Regev在內(nèi)的一組研究人員于2016年首次發(fā)表，但只能用于小規(guī)模的基因集，且花費(fèi)巨大（Cell, 2016, doi:10.1016/j.cell.2016.11.038）。
論文共同第一作者、Weissman實(shí)驗(yàn)室醫(yī)學(xué)博士生Joseph Replogle的基礎(chǔ)研究工作使得大規(guī)模的Perturb-seq圖譜成為可能。Replogle與Norman、Britt Adamson（普林斯頓大學(xué)分子生物學(xué)系助理教授）以及10x Genomics公司的一個(gè)小組合作，著手構(gòu)建一個(gè)可以擴(kuò)大規(guī)模的新版Perturb-seq。他們于2020年在Nature Biotechnology期刊上發(fā)表了一篇概念驗(yàn)證的論文（Nature Biotechnology, 2020, doi:10.1038/s41587-020-0470-y）。
Perturb-seq方法使用CRISPR/Cas9基因組編輯將遺傳變化引入細(xì)胞，然后使用單細(xì)胞RNA測(cè)序來(lái)捕獲有關(guān)因特定遺傳變化而表達(dá)的RNA的信息。因?yàn)镽NA控制著細(xì)胞行為方式的所有方面，這種方法可以幫助破解遺傳變化的許多細(xì)胞影響。
自從他們最初的概念驗(yàn)證論文發(fā)表以來(lái)，Weissman、Regev和其他人已經(jīng)在更小的范圍內(nèi)使用這種測(cè)序方法。例如，他們?cè)?021年使用Perturb-seq來(lái)探索人類和病毒基因在感染HCMV（一種常見(jiàn)的皰疹病毒）的過(guò)程中如何相互作用（Nature Biotechnology, 2021, doi:10.1038/s41587-021-01059-3）。
在這項(xiàng)新的研究中，Replogle和包括論文共同第一作者、Weissman實(shí)驗(yàn)室研究生Reuben Saunders在內(nèi)的合作者，將這種方法擴(kuò)大到整個(gè)基因組。他使用人類血癌細(xì)胞系以及來(lái)自視網(wǎng)膜的非癌細(xì)胞，對(duì)超過(guò)250萬(wàn)個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了Perturb-seq，并利用這些數(shù)據(jù)建立了一個(gè)將基因型和表型聯(lián)系起來(lái)的全面圖譜。
深入研究數(shù)據(jù)
在完成這種篩選后，這些作者決定將他們的新數(shù)據(jù)集投入使用，并研究一些生物學(xué)問(wèn)題。Norman說(shuō)，“Perturb-seq的優(yōu)勢(shì)在于它可以讓你以無(wú)偏見(jiàn)的方式獲得一個(gè)大數(shù)據(jù)集。沒(méi)有人完全知道你能從這種數(shù)據(jù)集中得到什么限制?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，你到底用它做什么？”
第一個(gè)最明顯的應(yīng)用是研究具有未知功能的基因。鑒于這種篩選也讀出了許多已知基因的表型，這些作者可以用這些數(shù)據(jù)來(lái)比較未知基因和已知基因，并尋找類似的轉(zhuǎn)錄結(jié)果，這可能表明這些基因產(chǎn)物作為一個(gè)更大的復(fù)合物的一部分一起發(fā)揮作用。
一個(gè)名為C7orf26的基因的突變尤其引人注目。這些作者注意到，那些在移除后導(dǎo)致類似表型的基因是一種叫做Integrator的蛋白復(fù)合體的一部分，該復(fù)合體在產(chǎn)生小核 RNA方面起著作用。Integrator復(fù)合體由許多較小的亞亞基組成---以前的研究表明有14個(gè)單獨(dú)的蛋白---他們能夠確認(rèn)C7orf26是該復(fù)合體的第15個(gè)組分。
他們還發(fā)現(xiàn)，這15個(gè)亞基在較小的模塊中一起發(fā)揮作用，在Integrator復(fù)合體中執(zhí)行特定的功能。Saunders說(shuō)，“如果沒(méi)有這種高清晰的圖譜，就不太清楚這些不同的模塊在功能上是如此不同?！?/p>
Perturb-seq的另一個(gè)好處是，由于這種檢測(cè)方法專注于單細(xì)胞，這些作者可以利用這些數(shù)據(jù)來(lái)觀察更復(fù)雜的表型，因?yàn)楫?dāng)它們與其他細(xì)胞的數(shù)據(jù)一起研究時(shí)，這些表型就會(huì)變得模糊不清。Weissman說(shuō)，“我們經(jīng)常把所有'基因X’被敲除的細(xì)胞拿出來(lái)，對(duì)它們進(jìn)行平均取值，看它們?nèi)绾巫兓?。但有時(shí)當(dāng)你敲除一個(gè)基因時(shí)，失去同一基因的不同細(xì)胞會(huì)有不同的行為，而這種行為可能會(huì)被這種平均取值所忽略?！?/p>
圖片來(lái)自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.05.013。
這些作者發(fā)現(xiàn)，在移除后在不同細(xì)胞中出現(xiàn)不同結(jié)果的一個(gè)基因子集負(fù)責(zé)染色體的分離。它們的移除導(dǎo)致細(xì)胞失去一條染色體或獲得一條額外的染色體，這種情況被稱為非整倍體。Weissman 說(shuō)，“你無(wú)法預(yù)測(cè)失去這個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)是什么，因?yàn)樗Q于你獲得或失去哪條染色體的次級(jí)效應(yīng)。我們意識(shí)到，我們可以逆轉(zhuǎn)這種情況，構(gòu)建這種復(fù)合表型，尋找染色體獲得和丟失的特征。通過(guò)這種方式，我們對(duì)正確分離DNA所需的因子進(jìn)行了第一次全基因組篩選?！?/p>
Norman說(shuō)，“我認(rèn)為這項(xiàng)非整倍體研究是迄今為止這些數(shù)據(jù)的最有趣的應(yīng)用。它捕捉了一個(gè)你只能用單細(xì)胞讀出的表型。你不能用其他方式去捕捉它?！?/p>
這些作者還利用他們的數(shù)據(jù)集來(lái)研究線粒體如何對(duì)應(yīng)激做出反應(yīng)。從自由生活的細(xì)菌進(jìn)化而來(lái)的線粒體在它的基因組中攜帶13個(gè)基因。在細(xì)胞核DNA內(nèi)，大約有1000個(gè)基因與線粒體功能有某種程度的關(guān)系。Replogle說(shuō)，“長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直對(duì)細(xì)胞核DNA和線粒體DNA在不同的細(xì)胞條件下如何協(xié)調(diào)和調(diào)控很感興趣，尤其是當(dāng)細(xì)胞遭受應(yīng)激時(shí)。”
這些作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們干擾不同的線粒體相關(guān)基因時(shí)，細(xì)胞核基因組對(duì)許多不同的基因變化的反應(yīng)是相似的。然而，線粒體基因組反應(yīng)的變化要大得多。
Replogle說(shuō)，“線粒體為什么仍有自己的DNA，這仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。從我們的研究中得到的一個(gè)大的啟示是，擁有獨(dú)立的線粒體基因組的一個(gè)好處可能是對(duì)不同的應(yīng)激源有局部的或非常特異的遺傳調(diào)節(jié)作用?！?/p>
Weissman說(shuō)，“如果一個(gè)線粒體被破壞，而另一個(gè)線粒體以不同的方式被破壞，這些線粒體可能會(huì)有不同的反應(yīng)?！?/p>
在未來(lái)，這些作者希望將Perturb-seq用于他們開始使用的癌細(xì)胞系以外的不同類型的細(xì)胞。他們還希望繼續(xù)探索他們的基因功能圖譜，并希望其他人也能這樣做。Norman說(shuō)，“這確實(shí)是這些作者和其他合作者多年研究工作的結(jié)晶，我真地很高興看到它繼續(xù)成功和擴(kuò)大。” （生物谷 Bioon.com）
參考資料：
1.Joseph M. Replogle et al. Mapping information-rich genotype-phenotype landscapes with genome-scale Perturb-seq. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.05.013.
2.New CRISPR-based map ties every human gene to its function
https://news.mit.edu/2022/crispr-based-map-ties-every-human-gene-to-its-function-0609
聯(lián)系客服
