新的CRISPR基因組編輯技術(shù)幫助科學(xué)家探索許多與癌癥相關(guān)的突變

癌癥患者的基因組研究揭示了數(shù)千種與腫瘤發(fā)展相關(guān)的突變。然而，對于絕大多數(shù)這些突變，研究人員不確定它們?nèi)绾螌?dǎo)致癌癥，因為沒有簡單的方法可以在動物模型中研究它們。

在一項可以幫助科學(xué)家對一長串未探索的突變有所作為的進展中，麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可以輕松地將特定的癌癥相關(guān)突變設(shè)計到小鼠模型中。

使用這種基于CRISPR基因組編輯技術(shù)的技術(shù)，研究人員在不同器官中創(chuàng)建了致癌基因Kras的幾種不同突變的模型。他們認為，這種技術(shù)也可以用于幾乎任何已發(fā)現(xiàn)的其他類型的癌癥突變。

這些模型可以幫助研究人員識別和測試針對這些突變的新藥。

這是一個非常強大的工具，用于檢查完整動物中基本上任何感興趣的突變的影響，并且所需時間僅為早期方法所需時間的一小部分。

TylerJacks，DavidH.Koch生物學(xué)教授，麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所成員，新研究的資深作者之一

麻省理工學(xué)院生物學(xué)助理教授、科赫研究所成員弗朗西斯科·桑切斯-里維拉(FranciscoSánchez-Rivera)和哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系教授、布羅德研究所核心研究所成員大衛(wèi)·劉(DavidLiu)也是該研究的高級作者，該研究今天發(fā)表在《自然生物技術(shù)》上。

ZackElyPhD'22，前麻省理工學(xué)院研究生，現(xiàn)在是麻省理工學(xué)院的訪問科學(xué)家，麻省理工學(xué)院研究生NicolasMathey-Andrews是該論文的主要作者。

更快的編輯

在小鼠模型中測試抗癌藥物是確定它們是否足夠安全和有效以進行人體臨床試驗的重要步驟。在過去的20年里，研究人員利用基因工程通過刪除腫瘤抑制基因或激活促癌基因來創(chuàng)建小鼠模型。然而，這種方法是勞動密集型的，需要幾個月甚至幾年的時間才能產(chǎn)生和分析具有單個癌癥相關(guān)突變的小鼠。

“研究生可以圍繞為一個突變建立一個模型來建立一個完整的博士學(xué)位，”Ely說。“使用傳統(tǒng)模型，該領(lǐng)域需要幾十年才能趕上我們通過癌癥基因組圖譜發(fā)現(xiàn)的所有突變。

在2010年代中期，研究人員開始探索使用CRISPR基因組編輯系統(tǒng)更容易使癌變突變的可能性。其中一些工作發(fā)生在杰克斯的實驗室，Sánchez-Rivera(當(dāng)時是麻省理工學(xué)院的研究生)和他的同事表明，他們可以使用CRISPR快速輕松地敲除腫瘤中經(jīng)常丟失的基因。然而，雖然這種方法很容易敲除基因，但它不適合將新的突變插入基因中，因為它依賴于細胞的DNA修復(fù)機制，這往往會引入錯誤。

受到布羅德研究所劉實驗室研究的啟發(fā)，麻省理工學(xué)院的研究小組希望想出一種方法來進行更精確的基因編輯，使他們能夠?qū)Π┗?驅(qū)動癌癥的基因)或腫瘤抑制因子進行非常有針對性的突變。

2019年，劉及其同事報告了新版本的CRISPR基因組編輯，稱為主要編輯。與CRISPR的原始版本不同，CRISPR使用一種稱為Cas9的酶在DNA中產(chǎn)生雙鏈斷裂，而素數(shù)編輯使用一種稱為Cas9切口酶的修飾酶，該酶與另一種稱為逆轉(zhuǎn)錄酶的酶融合。這種融合酶只切割DNA螺旋的一鏈，避免了引入雙鏈DNA斷裂，這可能導(dǎo)致細胞修復(fù)DNA時的錯誤。

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下載最新版本

麻省理工學(xué)院的研究人員通過將原定酶的基因工程到小鼠的種系細胞中來設(shè)計他們的新小鼠模型，這意味著它將存在于生物體的每個細胞中。編碼的原編輯器酶允許細胞將RNA序列復(fù)制到并入基因組的DNA中。然而，主要編輯器基因保持沉默，直到被一種稱為Cre重組酶的特定蛋白質(zhì)激活。

由于主要編輯系統(tǒng)安裝在小鼠基因組中，研究人員可以通過將Cre重組酶注射到他們想要表達癌癥突變的組織中來啟動腫瘤生長，以及指導(dǎo)Cas9切口酶在細胞基因組中進行特定編輯的引導(dǎo)RNA。RNA指南可以設(shè)計為誘導(dǎo)特定基因中的單個DNA堿基替換，缺失或添加，允許研究人員創(chuàng)建他們想要的任何癌癥突變。

突變建模

為了證明這項技術(shù)的潛力，研究人員將幾種不同的突變設(shè)計成Kras基因，該基因驅(qū)動了約30%的人類癌癥，包括幾乎所有的胰腺腺癌。然而，并非所有的Kras突變都是相同的。許多Kras突變發(fā)生在稱為G12的位置，在那里發(fā)現(xiàn)了氨基酸甘氨酸，并且根據(jù)突變，這種甘氨酸可以轉(zhuǎn)化為幾種不同的氨基酸之一。

研究人員開發(fā)了肺癌中發(fā)現(xiàn)的四種不同類型的Kras突變模型：G12C，G12D，G12R和G12A。令他們驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)這些模型中產(chǎn)生的腫瘤具有非常不同的特征。例如，G12R突變產(chǎn)生大的侵襲性肺腫瘤，而G12A腫瘤較小且進展較慢。

更多地了解這些突變?nèi)绾我圆煌姆绞接绊懩[瘤發(fā)展可以幫助研究人員開發(fā)針對每種不同突變的藥物。目前，只有兩種FDA批準(zhǔn)的針對Kras突變的藥物，它們都是針對G12C突變的，G30C突變約占肺癌中Kras突變的<>%。

研究人員還利用他們的技術(shù)在腫瘤抑制基因p53中創(chuàng)建了具有幾種不同類型的突變的胰腺類器官，他們現(xiàn)在正在開發(fā)這些突變的小鼠模型。他們還致力于生成其他Kras突變的模型，以及其他有助于賦予Kras抑制劑抗性的突變。

“我們感到興奮的一件事是研究突變的組合，包括驅(qū)動腫瘤發(fā)生的Kras突變，以及抗性相關(guān)的突變，”Mathey-Andrews說。“我們希望這不僅能讓我們了解突變是否引起耐藥性，還能讓我們了解耐藥性腫瘤是什么樣子的?”

研究人員已經(jīng)通過杰克遜實驗室的一個存儲庫將具有主要編輯系統(tǒng)設(shè)計的小鼠納入其基因組，他們希望其他實驗室將開始使用這種技術(shù)進行自己的癌癥突變研究。

該研究由麻省理工學(xué)院路德維希中心、國家癌癥研究所、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所漢娜格雷獎學(xué)金、V癌癥研究基金會、科赫研究所前沿獎、麻省理工學(xué)院研究支持委員會、海倫·海·惠特尼博士后獎學(xué)金、大衛(wèi)·H·科赫研究生獎學(xué)金基金、美國國立衛(wèi)生研究院、和Lustgarten胰腺癌研究基金會。

該論文的其他作者包括圣地亞哥·納蘭霍、塞繆爾·古爾德、金·默瑟、格雷戈里·紐比、克里斯蒂娜·卡巴納、威廉·賴德奧特、格里塞爾·塞萬提斯·哈拉米略、詹妮弗·基拉拉、凱蒂·霍蘭德、佩頓·倫道夫、威廉·弗里德-帕斯托爾、杰西·戴維斯、扎卡里·庫爾斯塔德、彼得·韋斯特科特、林林、安德魯·安扎隆、布倫丹·霍頓、尼米莎·帕塔達、肖恩-呂克·沙納漢、葉中峰、斯特凡尼·斯普蘭格和徐喬兵。

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