文章展示
隨著結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究的不斷深入，基因組學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)入結(jié)構(gòu)基因組學(xué)時(shí)代。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)主要是在基因組范圍內(nèi)通過人為改變生物體或細(xì)胞內(nèi)基因的序列或表達(dá)狀態(tài)，觀察干預(yù)后的表型，從而建立基因型與表型間的關(guān)聯(lián)，闡述基因的功能。
今年五月底在 Cancer cell 上發(fā)表了一篇關(guān)于功能基因組學(xué)在研究癌癥藥物靶標(biāo)領(lǐng)域的綜述，概述了癌癥藥物靶標(biāo)篩選的不同體系，強(qiáng)調(diào)出不同體系之間的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)未來癌癥研究的工作做出展望。
這篇綜述主要討論了結(jié)合二代測(cè)序技術(shù)（Next-Generation Sequencing，NGS）與不同的人為干預(yù)基因序列和表達(dá)的技術(shù)，在篩選癌癥藥物靶點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。其篩選策略和相關(guān)的技術(shù)原理如下圖所示：
功能缺失型篩選
功能缺失型篩選是通過人為下調(diào)靶基因的表達(dá)水平和功能活性，觀察表型的改變，從而鑒定出與特定表型相關(guān)的一組基因。
Cas9 或 Cas12a 核酸酶可通過雙鏈 DNA 斷裂和隨后目標(biāo)外顯子（即灰色塊）內(nèi)的錯(cuò)義修復(fù)引起功能缺失效應(yīng)；使用 dCas9-BE，可以對(duì)目標(biāo) DNA 進(jìn)行化學(xué)修飾，在編碼序列的特定位點(diǎn)產(chǎn)生終止密碼子；通過 CRISPRi 的作用可以抑制轉(zhuǎn)錄，dCas9-suppressor 會(huì)在基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的染色質(zhì)或 DNA(即藍(lán)色高亮顯示的啟動(dòng)子 / 增強(qiáng)子 DNA) 添加抑制標(biāo)記；病毒載體和轉(zhuǎn)座酶的基因組整合可以將破壞性的轉(zhuǎn)基因添加到編碼序列中；mRNA 可以被裝載 siRNA 的 RNA 誘導(dǎo)沉默復(fù)合物（RISC) 或 gRNA 引導(dǎo)的 Cas13 核酸酶的靶向降解。
功能獲得型篩選
功能獲得型篩選是通過在細(xì)胞內(nèi)上調(diào)靶基因的表達(dá)水平，并觀測(cè)表型改變，建立基因與表型之間的聯(lián)系，闡述基因功能及相互作用網(wǎng)絡(luò)。
功能獲得表型可以通過將 dCas9 激活因子融合靶向基因的啟動(dòng)子，經(jīng) CRISPRa 技術(shù)獲得；病毒載體能夠隨機(jī)將組成型表達(dá)或誘導(dǎo)表達(dá)的 ORFs/cDNA 整合到基因組中；使用病毒載體和轉(zhuǎn)座酶也可以隨機(jī)整合啟動(dòng)子序列，從而激活附近基因的表達(dá)。
功能修飾型篩選
功能修飾型篩選是對(duì)目的蛋白的編碼基因進(jìn)行改造，在短時(shí)間內(nèi)獲取靶位點(diǎn)氨基酸分別被其他 19 種天然氨基酸所替代的突變子的一種點(diǎn)飽和突變技術(shù)。
基于 dCas9 – BE 介導(dǎo)的編碼序列突變，會(huì)引起目的蛋白功能活性的改變；引入帶有單核苷酸變異（SNVs）的 ORFs 的病毒載體；或引入特定模板結(jié)合 Cas9 介導(dǎo)的 DNA 損傷的同源定向修復(fù)（HDR) 引入突變。
小編在這里對(duì) RNAi 和 CRISPR 介導(dǎo)的幾種篩選體系進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較，如下圖所示：
上面所提到的，關(guān)于位點(diǎn)插入突變 / 激活篩選技術(shù)只適用于在單倍體細(xì)胞模型中篩選細(xì)胞適合度基因（cellfitness gene）。當(dāng)然，隨著二代測(cè)序的發(fā)展，這種突變技術(shù)的應(yīng)用能力也將會(huì)進(jìn)一步提升。
那么如何選擇點(diǎn)陣式篩選和混合式篩選呢？
在實(shí)驗(yàn)中為了獲得更加可靠的結(jié)果，往往會(huì)將混合式篩選所得到的的基因再通過點(diǎn)陣式文庫(kù)驗(yàn)證。
怎么選擇 Knock down、Knock out 或過表達(dá)技術(shù)呢？
某些基因 Knock down 后，往往表型不明顯，這時(shí)候選擇 Knock out 會(huì)使其表型更加明顯。然而對(duì)于細(xì)胞存活重要的基因，一旦被 Knock out 往往無法觀察細(xì)胞其他的表型。且對(duì)于多拷貝基因，當(dāng)選用 CRISPR/Cas 體系進(jìn)行 Knock out 后，會(huì)在基因組產(chǎn)生多個(gè)雙鏈斷裂，過多的 DNA 斷裂會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡，增加癌細(xì)胞錯(cuò)誤篩選的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致假陽性結(jié)果，這時(shí)候應(yīng)該優(yōu)先考慮選擇 Knock down 技術(shù)。由于基因組的基因存在功能冗余，僅僅下調(diào)單個(gè)基因的表達(dá)，可能無法觀察到表型，導(dǎo)致假陰性結(jié)果，這時(shí)我們可以選擇在同一細(xì)胞內(nèi)下調(diào)多個(gè)基因表達(dá)，除了操作難度很大，同時(shí)可能會(huì)像前面所說的過多的 DNA 斷裂會(huì)導(dǎo)致假陽性結(jié)果的產(chǎn)生。我們也可以選擇將功能具有冗余的基因過表達(dá)觀察表型的改變。此外，在研究特定通路與藥物協(xié)調(diào)作用的機(jī)制上過表達(dá)篩選技術(shù)具有不可以替代的作用。值得注意的是，用過表達(dá)技術(shù)去驗(yàn)證 Knock down/out 的表型時(shí)，同一基因 Knock down/out 的表型與過表達(dá)的表型也不總是相反的，可能存在一致的情況，可能是由于目的基因表達(dá)的蛋白是以復(fù)合物的形式發(fā)揮功能。
小結(jié)
二代測(cè)序技術(shù)可高通量地同時(shí)對(duì)數(shù)以萬計(jì)的 DNA 分子進(jìn)行測(cè)序，并提供大量信息。在混合式篩選的下游，涉及到對(duì)富集的細(xì)胞亞群內(nèi)所含 shRNA 或 sgRNA 進(jìn)行定性和定量分析。NGS 技術(shù)的出現(xiàn)，大大加速了這一步驟，并顯著降低了成本，很大程度上推動(dòng)了混合式篩選，減少了從靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)到藥物開發(fā)的時(shí)間。
另外，隨著 NGS 技術(shù)的不斷發(fā)展，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)也日趨成熟。混合式篩選后所富集到的具有特定表型的細(xì)胞經(jīng) NGS 后，不僅可以提供細(xì)胞群體內(nèi) shRNA 或 sgRNA 的豐度信息，而且可以分析單個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組。通過將單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的 shRNA/sgRNA 信息與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)相結(jié)合，使得研究人員可以將特定的基因與細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組發(fā)生的改變關(guān)聯(lián)起來，并方便地鑒定到功能上相互關(guān)聯(lián)的一組基因并分析其功能調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
參考文獻(xiàn)：Haley Benjamin,Roudnicky Filip,Functional Genomics for Cancer Drug Target Discovery.[J] .Cancer Cell, 2020.
更多伯豪生物服務(wù)
