CRISPR/Cas9與DNA條形碼 “聯(lián)姻”，追蹤癌癥發(fā)展 | Nature子刊

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來源：生物探索

2018-04-08

CRISPR作為一項(xiàng)基因編輯新技術(shù)，已在生物學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家找了一個新方法——將CRISPR/Cas9與DNA條形碼技術(shù)聯(lián)合起來，可以修飾小鼠的肺部中與癌癥相關(guān)的基因，并能精確追蹤腫瘤的單個細(xì)胞。這一“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”或?qū)@著加速癌癥研究和藥物開發(fā)。

該研究的資深作者、斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家Monte Winslow說道，“人類癌癥并不只是因?yàn)橐粋€腫瘤抑制基因的突變，而且存在多種突變組合。但問題是，這些不同的突變基因是如何合作的？”

就在幾年前，這種圖譜研究是一項(xiàng)耗費(fèi)巨大、歷時數(shù)年的工作。研究人員需要培育多種不同譜系的遺傳修飾小鼠，每只小鼠都攜帶有不同的失活腫瘤抑制基因。為了探索所有可能的組合，研究人員需要構(gòu)建成百上千只的小鼠模型。

相比之下，Winslow和他的同事在幾個月之內(nèi)就完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，只用了不到24只小鼠。 “我們詳細(xì)分析了小鼠肺癌基因型的情況，遠(yuǎn)超過去15年該領(lǐng)域所進(jìn)行的研究。” Winslow強(qiáng)調(diào)道。相關(guān) 研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Genetics》雜志上。

doi:10.1038/s41588-018-0083-2

一個瘋狂的想法

研究小組利用CRISPR-Cas9這個強(qiáng)大的基因編輯工具，就可以輕易地替換、修改或刪除生物體內(nèi)的基因序列，從而在單個動物的肺中創(chuàng)造出多種基因不同的腫瘤。Winslow說，“我們可以在一只老鼠身上誘發(fā)成千上萬的克隆腫瘤。”

然而，為了得出關(guān)于不同基因突變組合效應(yīng)的有用結(jié)論，科學(xué)家需要一種精確的方法來標(biāo)記追蹤不同腫瘤的生長。在這里，傳統(tǒng)的技術(shù)是不夠的，包括嘗試切除和比較個體腫瘤的大小。

而最新的解決方案其實(shí)來自于斯坦福大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家Dmitri Petrov的一個瘋狂想法。Dmitri Petrov是這項(xiàng)新研究的資深作者，他曾與斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家Daniel Fisher和遺傳學(xué)家Gavin Sherlock合作開發(fā)了DNA條碼，作為研究酵母快速進(jìn)化的一種方法。當(dāng)Petrov了解到Winslow的實(shí)驗(yàn)時，他想DNA條碼這項(xiàng)技術(shù)或許可以應(yīng)用在小鼠身上。

Winslow 最初聽聞這個想法，還有所顧慮。“Petrov是那種有很多瘋狂想法的人，起初，我們并不認(rèn)為他的想法可行。后來，我們認(rèn)為或許值得一試。” Winslow說道。

計(jì)算條形碼

Petrov的想法是，將短的、獨(dú)特的DNA序列黏附于小鼠肺內(nèi)的單個腫瘤細(xì)胞。每一個序列的功能就像是遺傳條碼，當(dāng)每個癌細(xì)胞擴(kuò)增時，條碼的數(shù)量會隨之增加。

現(xiàn)在，科學(xué)家們不必煞費(fèi)苦心地切除單個腫瘤，而是將整個癌肺取出，然后用高通量的DNA測序和計(jì)算分析來精確的確定腫瘤的大小，計(jì)算條形碼出現(xiàn)的頻率。通過分析不同的條碼，科學(xué)家可以比以前更精確地比較腫瘤的大小。

Petrov說，“我們現(xiàn)在可以在同一個小鼠身上產(chǎn)生大量具有特定遺傳特征的腫瘤，并在規(guī)模和精度上分別跟蹤它們的生長。”

遺傳多樣性

CRISPR-Cas9和DNA條形碼的結(jié)合，可以讓科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制癌癥患者機(jī)體中所觀察到的遺傳多樣性，也克服了科學(xué)家對癌癥復(fù)雜性的恐懼心理。Winslow說，幾十年來，我們一直知道人類的腫瘤非常復(fù)雜，而且因人而異，如何能夠真正地重建它，以便能夠研究它？如今，在CRISPR/Cas9與DNA條形碼技術(shù)的結(jié)合下，我們可以同時模擬30種不同的癌癥遺傳變異。

這項(xiàng)研究還有一個驚人的發(fā)現(xiàn)——許多腫瘤抑制基因都是與環(huán)境相關(guān)的，也就是說，當(dāng)另外一個基因存在或缺失時僅會影響腫瘤的生長。“我們現(xiàn)在處于一個很好的位置，可以理解關(guān)鍵的癌癥驅(qū)動基因是如何相互作用的，以及為什么攜帶相同突變的腫瘤有時會進(jìn)展迅速，有時卻不會。” 研究的第一作者Christopher McFarland說，他是Petrov實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者。

這項(xiàng)組合技術(shù)對癌癥藥物測試或許也有幫助，制藥公司可以同時檢測數(shù)千種腫瘤變異的藥物，以觀察哪些藥物對治療有反應(yīng)，哪些藥物沒有反應(yīng)。

“我們可以幫助理解為什么靶向療法和免疫療法有時在病人身上效果很好，有時卻會失敗。” Petrov說，“我們假設(shè)腫瘤的遺傳異質(zhì)性可能是部分原因，研究人員希望能夠進(jìn)行更為深入的研究。”

責(zé)編：浮蘇

參考資料

Scientists combine CRISPR and DNA barcoding to track cancer growth

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