Science：利用CRISPR从头开始构建黑色素瘤模型

通过逐步将致癌突变引入健康皮肤细胞，广大科学家已经建立了皮肤癌模型，可以揭示突变的影响。阅读更多

　　

在过去的20年里，研究人员发现了数千种癌症的基因突变，但了解它们如何影响体内肿瘤的生长和扩散仍然是一个挑战，因为每个患者的肿瘤都可能有许多不同的突变。

现在，麻省理工学院(MIT)布罗德研究所(Broad Institute of MIT)和哈佛大学(Harvard)的科学家使用CRISPR-Cas9基因编辑系统建立了最致命的皮肤癌——黑素瘤的细胞模型。在《Science》杂志上，该团队描述了他们如何将五个黑色素瘤突变以不同的组合逐个植入健康人类皮肤细胞的基因组中。经过编辑的细胞生长和繁殖成为具有黑色素瘤特征的肿瘤，包括快速生长、入侵其他组织的能力增强、某些基因程序的激活以及特定的色素沉着模式。

因为研究人员以一种可控的方式一次引入一个突变，他们能够精确地确定个体和特定突变组合的影响。他们甚至发现了一种突变与肿瘤转移之间的因果关系，即肿瘤在体内的扩散。这一结果不仅揭示了黑素瘤的关键突变，而且为研究特定基因在其他癌症中的作用提供了一种新方法。

这项研究的第一作者和通讯作者之一Eran Hodis说，这项工作是科学家首次利用精确控制的基因工程，从完全分化或专门化的细胞，而不是干细胞，建立人类癌症模型。干细胞与每种癌症类型都不相关。他在达纳·法伯癌症研究所和哈佛大学获得博士学位期间开始了这项研究，现在是布里格姆妇女医院的内科住院医师。他说：“我们希望，这种方法将为在许多其他癌症类型中建立类似模型提供机会，加速癌症遗传学与特定疾病特征的联系。”

“有了这个工具箱，我们就可以问突变对细胞有什么影响，”布罗德大学的博士后学者、第一作者之一Elena Torlai Triglia说。“这些问题帮助我们了解这种疾病是如何发展的，以及如何针对它。

“为了设计这些模型，我们必须将尖端、精确的基因编辑技术与高分辨率、大规模并行的单细胞基因组学分析相结合，以生成和表征细胞和肿瘤，并结合机器学习算法来分析数据。”

制造黑色素瘤

在研究黑素瘤时，将肿瘤的基因组成或基因型与特定的特征或表型联系起来尤其困难。Torlai Triglia说:“皮肤暴露在很多外部因素下，比如紫外线，所以黑色素瘤患者体内存在很多突变，这些突变可能不是导致疾病的真正原因。”通过将突变引入健康的人类黑素细胞——产生黑色素并成为黑素瘤癌细胞的皮肤细胞——研究小组可以在一张白纸上观察突变的影响。

为了制作他们的黑色素瘤模型，该团队使用了CRISPR-Cas9，在黑色素瘤中常见的CDKN2A、BRAF和TERT基因中安装突变。这三种突变加在一起，导致细胞表现得像癌症一样，无限期分裂。

接下来，研究人员在已知的黑色素瘤基因PTEN、TP53和APC中添加了额外突变的不同组合，产生了9种不同的细胞模型，然后将其植入小鼠体内。这些动物长出的肿瘤显示出与人类肿瘤相似的色素沉着和细胞结构。单细胞RNA测序显示，随着更多突变的加入，细胞逐渐改变它们的基因表达程序，动物肿瘤模型与具有相同基因型的患者肿瘤具有相似的基因表达模式——这是研究人员惊讶地观察到的。Hodis说:“如果我们打算在实验室里进行模拟，这将是一件不可能的事情。我们谈论的是数千个基因的协调表达。这是我们拥有的最好的证据之一，证明我们‘从零开始’构建的黑色素瘤如实反映了患者身上出现的黑色素瘤。”

黑色素瘤因早期转移而臭名昭著——这通常是一种致命的过程，其遗传基础尚不清楚。Hodis、Torlai Triglia和他们的合作者发现，转移通常发生在APC突变的肿瘤中，这表明该基因的失活可能有助于肿瘤的扩散能力。

Hodis、Torlai Triglia和Regev计划使用他们的方法建立更多的癌症模型，并研究尚不清楚的突变。他们说，他们的发现强调了在疾病模型中研究基因间相互作用的重要性，他们的方法可能有助于科学家研究肿瘤如何对靶向治疗产生耐药性，而这种耐药性并不总是可以用单一的突变来解释。