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?yàn)闆]有簡單的方法可以在動(dòng)物模型中研究它們。
在一項(xiàng)可以幫助科學(xué)家對一長串未探索的突變有所作為的進(jìn)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(jì)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(rèn)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(gè)非常強(qiáng)大的工具，用于檢查完整動(dòng)物中基本上任何感興趣的突變的影響，并且所需時(shí)間僅為早期方法所需時(shí)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(jìn)行人體臨床試驗(yàn)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(dòng)密集型的，需要幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間才能產(chǎn)生和分析具有單個(gè)癌癥相關(guān)突變的小鼠。
“研究生可以圍繞為一個(gè)突變建立一個(gè)模型來建立一個(gè)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(shí)驗(yàn)室，Sánchez-Rivera(當(dāng)時(shí)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?yàn)樗蕾囉诩?xì)胞的DNA修復(fù)機(jī)制，這往往會(huì)引入錯(cuò)誤。
受到布羅德研究所劉實(shí)驗(yàn)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(jìn)行更精確的基因編輯，使他們能夠?qū)Π┗?驅(qū)動(dòng)癌癥的基因)或腫瘤抑制因子進(jìn)行非常有針對性的突變。
2019年，劉及其同事報(bào)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?cái)?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(xì)胞修復(fù)DNA時(shí)的錯(cuò)誤。
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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(xì)胞中來設(shè)計(jì)他們的新小鼠模型，這意味著它將存在于生物體的每個(gè)細(xì)胞中。編碼的原編輯器酶允許細(xì)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(dá)癌癥突變的組織中來啟動(dòng)腫瘤生長，以及指導(dǎo)Cas9切口酶在細(xì)胞基因組中進(jìn)行特定編輯的引導(dǎo)RNA。RNA指南可以設(shè)計(jì)為誘導(dǎo)特定基因中的單個(gè)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(xiàng)技術(shù)的潛力，研究人員將幾種不同的突變設(shè)計(jì)成Kras基因，該基因驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室的一個(gè)存儲庫將具有主要編輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小鼠納入其基因組，他們希望其他實(shí)驗(yàn)室將開始使用這種技術(shù)進(jìn)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(jiǎng)學(xué)金、V癌癥研究基金會(huì)、科赫研究所前沿獎(jiǎng)、麻省理工學(xué)院研究支持委員會(huì)、海倫·海·惠特尼博士后獎(jiǎng)學(xué)金、大衛(wèi)·H·科赫研究生獎(jiǎng)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(huì)。
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(dá)、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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