科学家开发了一种快速基因编辑屏幕来发现癌症突变的影响

肿瘤可以携带数百个不同基因的突变，并且每个基因都可能以不同的方式发生突变 – 一些突变只是用另一个DNA核苷酸替换另一个，而另一些则插入或删除DNA的较大部分。

到目前为止，还没有办法在自然环境中快速轻松地筛选这些突变中的每一个，以了解它们在肿瘤的发展、进展和治疗反应中可能发挥的作用。麻省理工学院的研究人员使用一种称为prime编辑的CRISPR基因组编辑变体，现在已经提出了一种更容易筛选这些突变的方法。

研究人员通过筛选具有1000多种不同肿瘤抑制基因p53突变的细胞来展示他们的技术，所有这些突变都在癌症患者中被发现。这种方法比任何现有方法都更容易、更快捷，并且编辑基因组而不是引入突变基因的人工版本，揭示了一些p53突变比以前认为的更有害。

研究人员说，这种技术也可以应用于许多其他癌症基因，并最终可用于精准医疗，以确定个体患者的肿瘤对特定治疗的反应。

“在一项实验中，你可以生成数千种在癌症患者身上看到的基因型，并立即测试其中一种或多种基因型是否对你感兴趣的任何类型的疗法敏感或耐药，”麻省理工学院生物学助理教授弗朗西斯科·桑切斯-里维拉说，他是科赫综合癌症研究所的成员。 以及该研究的资深作者。

麻省理工学院研究生塞缪尔·古尔德（Samuel Gould）是该论文的主要作者，该论文今天发表在 《自然生物技术》杂志上。

编辑单元格

这项新技术建立在桑切斯-里维拉10年前作为麻省理工学院研究生开始的研究之上。当时，Sanchez-Rivera与David H. Koch生物学教授Tyler Jacks和当时的博士后Thales Papagiannakopoulos合作，开发了一种使用CRISPR基因组编辑将与肺癌相关的基因突变引入小鼠的方法。

在这项研究中，研究人员表明，他们可以删除肺肿瘤细胞中经常丢失的基因，由此产生的肿瘤与具有这些突变的自然产生的肿瘤相似。然而，这种技术不允许产生点突变（一个核苷酸取代另一个核苷酸）或插入。

“虽然一些癌症患者在某些基因上有缺失，但癌症患者在肿瘤中的绝大多数突变也包括点突变或小插入，”Sanchez-Rivera说。

从那时起，哈佛大学化学与化学生物学系教授、布罗德研究所核心研究员David Liu开发了新的基于CRISPR的基因组编辑技术，可以更容易地产生其他类型的突变。通过2016年开发的碱基编辑，研究人员可以设计点突变，但不是所有可能的点突变。2019年，Liu也是 Nature Biotechnology 研究的作者，他开发了一种称为Prime Editing的技术，该技术可以引入任何类型的点突变，以及插入和删除。

“从理论上讲，Prime 编辑解决了早期基于CRISPR的编辑形式的主要挑战之一，即它允许你设计几乎任何类型的突变，”Sanchez-Rivera说。

当他们开始研究这个项目时，Sanchez-Rivera和Gould计算出，如果成功执行，Prime Editing可以用来产生癌症患者中99%以上的小突变。

然而，为了实现这一目标，他们需要找到一种方法来优化基于CRISPR的系统的编辑效率。用于指导CRISPR酶在某些位点切割基因组的主要编辑向导RNA（pegRNA）具有不同程度的效率，这导致来自pegRNA的数据中出现“噪音”，而这些数据根本没有产生正确的靶突变。麻省理工学院的团队设计了一种通过使用合成靶位点来减少这种噪音的方法，以帮助他们计算他们测试的每个向导RNA的工作效率。

“我们可以设计多个具有不同设计特性的引物编辑向导RNA，然后我们根据经验测量每个pegRNA的效率。它告诉我们每个pegRNA实际引入正确编辑的时间百分比，“Gould说。

分析突变

研究人员使用p53展示了他们的技术，p53是一种在超过一半的癌症患者中发生突变的基因。从包含来自40,000多名患者的测序信息的数据集中，研究人员确定了p53中可能发生的1,000多种不同突变。

“我们想把重点放在p53上，因为它是人类癌症中最常见的突变基因，但只有p53中最常见的变异才真正被深入研究。p53中有许多变体仍未得到充分研究，“Gould说。

使用他们的新方法，研究人员在人肺腺癌细胞中引入了p53突变，然后测量了这些细胞的存活率，使他们能够确定每个突变对细胞适应性的影响。

在他们的研究结果中，他们表明一些p53突变比以前认为的更能促进细胞生长。这些阻止p53蛋白形成四聚体（四种p53蛋白的组装体）的突变之前已经使用一种技术进行了研究，该技术涉及将突变的p53基因的人工拷贝插入细胞中。

这些研究发现，这些突变并没有给癌细胞带来任何生存优势。然而，当麻省理工学院的研究小组使用新的引物编辑技术引入这些相同的突变时，他们发现突变阻止了四聚体的形成，使细胞得以存活。根据使用人工p53 DNA过表达进行的研究，这些突变将被归类为良性突变，而新的研究表明，在更自然的情况下，它们不是。

古尔德说：“在这种情况下，如果你在自然环境中设计变异，而不是使用这些更人工的系统，你只能观察到这些变异诱导的表型。“这只是一个例子，但它说明了一个更广泛的原则，即我们将能够使用这些新的基因组编辑技术获得新的生物学。

由于很难重新激活抑癌基因，因此靶向p53的药物很少，但研究人员现在计划研究在其他癌症相关基因中发现的突变，以期发现可以靶向这些突变的潜在癌症疗法。他们还希望该技术有朝一日能够实现治疗肿瘤的个性化方法。

“随着测序技术在临床上的出现，我们将能够利用这些遗传信息为患有具有明确基因组成的肿瘤的患者量身定制治疗方法，”Sanchez-Rivera说。“这种基于素数编辑的方法有可能改变一切。”

该研究部分由美国国家普通医学科学研究所、麻省理工学院癌症研究学院奖学金、霍华德休斯医学研究所汉娜格雷奖学金、V 癌症研究基金会、国家癌症研究所癌症中心支持补助金、麻省理工学院路德维希中心、科赫研究所前沿奖、麻省理工学院研究支持委员会、 以及美国国家癌症研究所的科赫研究所支持（核心）补助金。