科学家:利用CRISPR终于揭开了数千种变异的意义

科学家:利用CRISPR终于揭开了数千种变异的意义
2018年10月19日 09:37 新浪科技综合

  来源:奇点网

  好莱坞著名女星安吉丽娜•朱莉在进行BRCA1基因检测和遗传咨询后,发现患乳腺癌的概率为87%,患卵巢癌的概率为50%。于是在医生的建议下,先后进行了乳腺、卵巢和输卵管切除手术,使得患癌风险将降到5%以下[1]!

  然而,绝大部分女性可能没朱莉那么幸运,因为他们携带的BRCA1基因变异,连科学家和医生都不知道是否致癌[2]。而且,这个问题不仅存在于BRCA1,很多与癌症相关的基因变异都面临着这个问题。使得人们不能提前对癌症进行预防和规避,让病魔肆虐!

  近日,美国西雅图大学的Jay Shendure和Lea Starita博士终于为我们带来了走出困境的希望。他们通过一种“饱和基因组编辑”的方法,明确解释了BRCA1基因上近4000种变异类型的含义。这可以为女性癌症的预防和治疗做出更加有效的指导,减少女性罹患乳腺癌和卵巢癌的风险。

  并且,这种新开辟的方法可能大大推动对各种基因变异的研究,扩展到其他癌症,完善各类基因检测项目。该成果发表在近期的顶级学术期刊《自然》上[3]。

左为Jay 博士,右为Lea博士左为Jay 博士,右为Lea博士

  BRCA1基因之所以会含有这么多种类型的变异,是因为它是一个总长81kbp的巨无霸基因。碱基数多,发生变异的概率自然也就大了。

  而BRCA1基因的功能恰恰又非常重要。这个基因主要在乳腺以及其他组织中表达,负责DNA的修复工作,能防止基因变异。若BRCA1因变异而失去功能,会诱发大量基因变异,使得肿瘤的发病风险大大增加[4]。

  正因为如此,科学家才会非常关心BRCA1基因上的变异。但是,现有两种评估基因变异的作用的方法,对大部分BRCA1的变异都不适用。

  第一种方法是结合基因测序,在临床病人中反复观察某种变异对癌症的作用,以评估其功能。这需要一定数量的临床样本。然而,BRCA1基因变异的类型有数千种之多,而携带某一种特定类型变异的患者的数量可能很少,临床数据不足以对这些罕见变异的功能进行评估。

  第二种是通过实验手段,检测携带变异的基因对其所参与的信号通路的影响。但是,通过生化实验或者在细胞中基于cDNA进行实验,都无法准确代表其在体内的作用,何况还有很多变异是在非编码区的。而且,还不停有新的变异被发现,用实验进行评估的脚步跟不上新变异出现的速度。

BRCA1蛋白结构BRCA1蛋白结构

  由于这些原因,我们一直不能理解BRCA1基因上大量变异的意义,让很多有害的变异逍遥法外,为祸一方。对此,Jay Shendure和Lea Starita两位科学家试图改变这个局面。

  既然携带特定某种变异的癌症病人数量可能很少,而且还不停有新的变异被发现。那么是否可以在细胞中人为制造各种变异(包括之前未发现的变异),然后评价其作用呢?CRISPR/ Cas9系统所拥有的基因组编辑能力,为科学家们提供了这种可能。

  制造变异不是问题,剩下的问题就是如何评价每种变异的作用了。

  这同样也难不倒科学家们。

  BRCA1基因对一种叫HAP1的人类单倍体细胞系至关重要,BRCA1的功能缺失会严重影响HAP1的生存能力。因而,可以通过测定HAP1细胞的生存状况,评估某种特定变异对BRCA1基因功能的影响。

  制造变异和评估变异能力理论上都没问题了,那就开始干吧。

实验流程实验流程

  研究者们精心挑选了大量BRCA1基因位点,都属于该基因的要害部位。对于每一个位点,他们都通过CRISPR/ Cas9系统在2000万个HAP1细胞中进行编辑,制造变异。

  随后,将这些细胞培养特定的时间,分别评估这些基因变异给细胞造成的影响,进行量化评分。他们一共得到了3893个基因变异的功能评分。通过评分来判断该基因变异是良性的还是具有致病性的。

  当然,这个“饱和基因组编辑”评分的可靠性,还要经过实践来检验。

  在这些制造的变异中,有很多变异的作用在临床中是已知的。研究者们将其功能评分与已知结果进行比较,发现他们的评分对致病性预测的准确率令人赞叹,AUC高达0.983!

通过评分预测的结果与已知结果重合率高得出奇通过评分预测的结果与已知结果重合率高得出奇

  研究人员曾怀疑过HAP1细胞的生存试验是否能代表真实的生理状态,但超过95%的预测准确率无疑打消了这种疑虑。

  这表明,通过“饱和基因组编辑”评分区分基因变异的致病性是可靠的。

  作者表示,他们研究的结果对临床也具有指导意义。例如,BIC(The Breast Cancer Information Core)数据库中对BRCA1基因上的很多变异的解释是互相矛盾的,而本实验得到的结果可能可以更新现有的数据库。

  当然,研究人员表示这次只评估了BRCA1基因重要位点的变异,接下来两年,他们要将评估范围扩大到整个基因。届时,我们对该基因的变异将有更加全面的了解。

  目前,他们正在通过Brotman Baty数据库迅速发布新获得的基因变异的信息,以帮助患者和临床医生弄清楚测序结果的意义。Starita博士希望这个数据库能继续扩大,以便于第一时间能为女性做出指导[6]。

  现在虽然已经能够非常方便的得到测序数据,但绝大部分基因变异的功能都没有被阐释,大大限制了基因组医学的发展。而这个方法提供了一个解决这个问题的机会。

  Jay博士表示,他们将继续利用“饱和基因组编辑”技术研究其他癌症的风险基因,测试更多罕见突变对人类健康的影响。

  希望“饱和基因组编辑”技术能为我们阐释更多基因和基因变异的功能,推动功能基因组时代的进程,让更多的人收益。

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