人類(lèi)基因組計劃完成20多年后，美國懷特黑德研究所喬納森·韋斯曼及其同事展示了在人類(lèi)細胞中表達基因的第一份綜合功能圖譜。9日在線(xiàn)發(fā)表于《細胞》雜志上的項目數據，將每個(gè)基因與其在細胞中的功能聯(lián)系起來(lái)，這是多年來(lái)基于單細胞測序方法Perturb-seq的重大合作研究成果。數據可在韋斯曼實(shí)驗室網(wǎng)站上獲得，供其他科學(xué)家使用。
兼任麻省理工學(xué)院生物學(xué)教授和霍華德休斯醫學(xué)研究所研究員的韋斯曼說(shuō)：“有了這張基因型—表型關(guān)系圖譜，你可以進(jìn)入并篩選數據庫而無(wú)需進(jìn)行任何實(shí)驗。”
該圖譜使研究人員能深入研究各種生物學(xué)問(wèn)題。研究人員可用它來(lái)探索功能未知的基因對細胞的影響，研究線(xiàn)粒體對壓力的反應，并篩選導致染色體丟失或獲得的基因，這種表型在過(guò)去被證明是難以研究的。
借助CRISPR構建圖譜
該項目利用的Perturb-seq方法，能以前所未有的深度跟蹤基因打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的影響。Perturb-seq方法使用CRISPR/Cas9技術(shù)將基因變化引入細胞，然后使用單細胞RNA測序來(lái)捕獲變化引起的表達RNA信息。由于RNA控制細胞行為的所有方面，這種方法可幫助解碼遺傳變化的許多細胞效應。
在這項新成果中，研究人員將該方法擴大到整個(gè)基因組。他們使用人類(lèi)血液癌細胞系以及來(lái)自視網(wǎng)膜的非癌細胞，對超過(guò)250萬(wàn)個(gè)細胞進(jìn)行了Perturb-seq測序，并使用這些數據構建了一個(gè)將基因型與表型聯(lián)系起來(lái)的綜合圖譜。
挖掘未知功能
完成篩選后，研究人員決定使用他們的新數據集來(lái)檢查一些生物學(xué)問(wèn)題。最明顯的應用是首先研究具有未知功能的基因。
由于新測序讀出了許多已知基因的表型，研究人員可使用這些數據將未知基因與已知基因進(jìn)行比較，并尋找相似的轉錄結果，這可能表明基因產(chǎn)物會(huì )作為更大復合體的一部分協(xié)同工作。
一個(gè)名為C7orf26的基因的突變尤為突出。研究人員注意到，去除導致相似表型的基因是稱(chēng)為整合子的蛋白質(zhì)復合體的一部分，該復合物在產(chǎn)生小核RNA中發(fā)揮作用。整合子復合體由許多較小的亞基組成，之前的研究表明有14種單獨的蛋白質(zhì)，研究人員此次證實(shí)C7orf26是復合體的第15個(gè)組成部分。
他們還發(fā)現15個(gè)子單元在更小的模塊中協(xié)同工作，以在整合子復合體中執行特定功能。
篩選正確分離DNA的因子
Perturb-seq的另一個(gè)好處是，由于該分析側重于單細胞，研究人員可使用這些數據來(lái)查看更復雜的表型，這些表型在與來(lái)自其他細胞的數據一起研究時(shí)通常會(huì )變得混亂。
研究人員發(fā)現，導致細胞間不同結果的基因子集是染色體分離的原因。這種分離會(huì )導致細胞丟失一條染色體或獲得一條額外的染色體，這種情況稱(chēng)為非整倍性。
韋斯曼表示：“你無(wú)法預測失去這個(gè)基因的轉錄反應是什么，因為它取決于你獲得或失去的染色體的次要效應。我們意識到，這個(gè)局面其實(shí)是可以扭轉的，創(chuàng )造這種復合表型，尋找獲得或丟失的染色體特征。通過(guò)這種方式，我們對正確分離DNA所需的因子進(jìn)行了第一次全基因組篩選。”
仍有懸而未決的問(wèn)題
研究人員還使用數據集研究了線(xiàn)粒體如何應對壓力。從自由生活的細菌進(jìn)化而來(lái)的線(xiàn)粒體在其基因組中攜帶13個(gè)基因。在核DNA中，大約1000個(gè)基因與線(xiàn)粒體功能有關(guān)。研究人員發(fā)現，當他們擾亂不同的線(xiàn)粒體相關(guān)基因時(shí)，核基因組對許多不同的基因變化的反應相似。然而，線(xiàn)粒體基因組反應的可變性要大得多。
為什么線(xiàn)粒體仍然有自己的DNA？這仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。新研究的一個(gè)重要結論是，擁有單獨的線(xiàn)粒體基因組的好處之一，可能是針對不同的壓力源要進(jìn)行局部或非常特定的基因調控。如果有一個(gè)線(xiàn)粒體被破壞，而另一個(gè)線(xiàn)粒體以不同的方式被破壞，那么這些線(xiàn)粒體可能會(huì )作出不同的反應。
未來(lái)，研究人員希望將Perturb-seq用于研究癌細胞系之外的不同類(lèi)型的細胞。