科学家揭示了必需基因的功能景观

怀特黑德研究所和麻省理工学院布罗德研究所和哈佛大学的一组科学家使用一种新颖的、基于图像的汇总筛选方法系统地评估了5,000多个基本人类基因的功能。他们的分析利用CRISPR/Cas9敲除基因活性，并形成了一种首创的资源，用于以空间和时间分辨率来理解和可视化各种细胞过程中的基因功能。

该团队的研究结果发表在《细胞》杂志上，涵盖了超过3100万个单个细胞，包括数百个不同参数的定量数据，这些参数可以预测基因如何协同工作和运作。

“在我的整个职业生涯中，我一直想看看当必需基因的功能被消除时，细胞会发生什么，”该研究的资深作者、怀特黑德研究所成员伊恩·奇斯曼说。“现在，我们可以做到这一点，不仅针对一个基因，而且针对每个对人类细胞在培养皿中分裂很重要的基因，而且它非常强大。我们创造的资源不仅有利于我们自己的实验室，也有利于周围的实验室世界。”

必需基因控制细胞生存所需的基本功能(转录、mRNA剪接、翻译、囊泡运输、DNA复制、细胞分裂等)。系统性地破坏这些基因的功能并不是一个新概念，但传统方法受到各种因素的限制，包括成本、可行性以及完全消除必需基因活性的能力。

Cheeseman也是麻省理工学院(MIT)的Herman和MargaretSokol生物学教授，他的同事与PaulBlainey及其在Broad的团队合作，定义并实现了这一雄心勃勃的共同目标。Broad研究人员开创了一种新的基因筛选技术，该技术结合了两种方法——使用CRISPR/Cas9的大规模、汇集的基因筛选和细胞成像以揭示定量和定性差异。此外，与其他方法相比，该方法价格低廉，并且可以使用市售设备进行实践。

“我们很自豪地展示了与怀特黑德研究所伊恩实验室合作的低成本成像分析可实现的细胞过程的令人难以置信的分辨率，”该研究的高级作者、Broad的核心研究所成员、副研究员Blainey说。麻省理工学院生物工程教授，麻省理工学院科赫综合癌症研究所成员。

“很明显，这只是我们方法的冰山一角。基于更详细的表型读数来关联遗传扰动的能力对于未来的许多研究领域来说是必不可少的，而且现在可以使用。”

Cheeseman补充说：“进行混合细胞生物筛选的能力从根本上改变了游戏规则。你有两个细胞并排放置，因此你对它们是否相同进行统计显着计算的能力要高得多，你可以分辨出非常小的差异。”

Cheeseman、Blainey、主要作者LukeFunk和Kuan-ChungSu及其同事评估了人类细胞系中5,072个必需基因的功能。他们分析了筛选中细胞中的四种标记物——DNA;DNA损伤反应是检测和响应受损DNA的关键细胞途径;以及两种重要的结构蛋白，肌动蛋白和微管蛋白。

除了他们的主要筛选，科学家们还进行了一个较小的后续筛选，重点关注大约200个参与细胞分裂(也称为“有丝分裂”)的基因。这些基因在最初的筛选中被确定为在有丝分裂中发挥明显作用，但之前并未与该过程相关联。这些数据通过一个名为Vesuvius的配套网站提供，为其他科学家研究他们感兴趣的基因的功能提供了资源。

“我们收集了关于这些细胞的大量信息。例如，对于细胞的细胞核，它不仅仅是染色的鲜艳程度，而是它有多大，它有多圆，边缘是光滑还是凹凸不平?”切斯曼说。“一台计算机真的可以提取大量的空间信息。”

从这些丰富的多维数据中流出，科学家们的工作为屏幕中分析的每个基因提供了一种细胞生物学“指纹”。使用复杂的计算聚类策略，研究人员可以将这些指纹相互比较，并在基因之间构建潜在的调控关系。因为该团队的数据证实了已知的多种关系，它可以用来自信地预测功能和/或与其他基因的相互作用未知的基因。

研究人员的筛选数据中有许多值得注意的发现，其中包括一个与离子通道有关的令人惊讶的发现。两个基因AQP7和ATP1A1被鉴定为它们在有丝分裂中的作用，特别是染色体的适当分离。这些基因编码膜结合蛋白，将离子转运进出细胞。“在我从事有丝分裂研究的这些年里，我从没想过会涉及到离子通道，”Cheeseman说。

他补充说：“我们实际上只是触及了可以从我们的数据中挖掘出的东西的表面。我们希望许多其他人不仅能从这种资源中受益，而且还能以这种资源为基础。”