人類基因組計(jì)劃完成20多年后，美國懷特黑德研究所喬納森·韋斯曼及其同事展示了在人類細(xì)胞中表達(dá)基因的第一份綜合功能圖譜。9日在線發(fā)表于《細(xì)胞》雜志上的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，將每個基因與其在細(xì)胞中的功能聯(lián)系起來，這是多年來基于單細(xì)胞測序方法Perturb-seq的重大合作研究成果。數(shù)據(jù)可在韋斯曼實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站上獲得，供其他科學(xué)家使用。

兼任麻省理工學(xué)院生物學(xué)教授和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員的韋斯曼說：“有了這張基因型—表型關(guān)系圖譜，你可以進(jìn)入并篩選數(shù)據(jù)庫而無需進(jìn)行任何實(shí)驗(yàn)。”

數(shù)據(jù)可在韋斯曼實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站上獲得，供其他科學(xué)家使用。藝術(shù)圖喻示一個人進(jìn)入基因功能圖譜數(shù)據(jù)庫。

圖片來源：珍·庫克-克雷索斯/約瑟夫·雷普羅格/懷特黑德研究所

該圖譜使研究人員能深入研究各種生物學(xué)問題。研究人員可用它來探索功能未知的基因?qū)?xì)胞的影響，研究線粒體對壓力的反應(yīng)，并篩選導(dǎo)致染色體丟失或獲得的基因，這種表型在過去被證明是難以研究的。

借助CRISPR構(gòu)建圖譜

該項(xiàng)目利用的Perturb-seq方法，能以前所未有的深度跟蹤基因打開或關(guān)閉時產(chǎn)生的影響。Perturb-seq方法使用CRISPR/Cas9技術(shù)將基因變化引入細(xì)胞，然后使用單細(xì)胞RNA測序來捕獲變化引起的表達(dá)RNA信息。由于RNA控制細(xì)胞行為的所有方面，這種方法可幫助解碼遺傳變化的許多細(xì)胞效應(yīng)。

在這項(xiàng)新成果中，研究人員將該方法擴(kuò)大到整個基因組。他們使用人類血液癌細(xì)胞系以及來自視網(wǎng)膜的非癌細(xì)胞，對超過250萬個細(xì)胞進(jìn)行了Perturb-seq測序，并使用這些數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個將基因型與表型聯(lián)系起來的綜合圖譜。

挖掘未知功能

完成篩選后，研究人員決定使用他們的新數(shù)據(jù)集來檢查一些生物學(xué)問題。最明顯的應(yīng)用是首先研究具有未知功能的基因。

由于新測序讀出了許多已知基因的表型，研究人員可使用這些數(shù)據(jù)將未知基因與已知基因進(jìn)行比較，并尋找相似的轉(zhuǎn)錄結(jié)果，這可能表明基因產(chǎn)物會作為更大復(fù)合體的一部分協(xié)同工作。

一個名為C7orf26的基因的突變尤為突出。研究人員注意到，去除導(dǎo)致相似表型的基因是稱為整合子的蛋白質(zhì)復(fù)合體的一部分，該復(fù)合物在產(chǎn)生小核RNA中發(fā)揮作用。整合子復(fù)合體由許多較小的亞基組成，之前的研究表明有14種單獨(dú)的蛋白質(zhì)，研究人員此次證實(shí)C7orf26是復(fù)合體的第15個組成部分。

他們還發(fā)現(xiàn)15個子單元在更小的模塊中協(xié)同工作，以在整合子復(fù)合體中執(zhí)行特定功能。

篩選正確分離DNA的因子

Perturb-seq的另一個好處是，由于該分析側(cè)重于單細(xì)胞，研究人員可使用這些數(shù)據(jù)來查看更復(fù)雜的表型，這些表型在與來自其他細(xì)胞的數(shù)據(jù)一起研究時通常會變得混亂。

研究人員發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致細(xì)胞間不同結(jié)果的基因子集是染色體分離的原因。這種分離會導(dǎo)致細(xì)胞丟失一條染色體或獲得一條額外的染色體，這種情況稱為非整倍性。

韋斯曼表示：“你無法預(yù)測失去這個基因的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)是什么，因?yàn)樗Q于你獲得或失去的染色體的次要效應(yīng)。我們意識到，這個局面其實(shí)是可以扭轉(zhuǎn)的，創(chuàng)造這種復(fù)合表型，尋找獲得或丟失的染色體特征。通過這種方式，我們對正確分離DNA所需的因子進(jìn)行了第一次全基因組篩選。”

仍有懸而未決的問題

研究人員還使用數(shù)據(jù)集研究了線粒體如何應(yīng)對壓力。從自由生活的細(xì)菌進(jìn)化而來的線粒體在其基因組中攜帶13個基因。在核DNA中，大約1000個基因與線粒體功能有關(guān)。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們擾亂不同的線粒體相關(guān)基因時，核基因組對許多不同的基因變化的反應(yīng)相似。然而，線粒體基因組反應(yīng)的可變性要大得多。

為什么線粒體仍然有自己的DNA？這仍是一個懸而未決的問題。新研究的一個重要結(jié)論是，擁有單獨(dú)的線粒體基因組的好處之一，可能是針對不同的壓力源要進(jìn)行局部或非常特定的基因調(diào)控。如果有一個線粒體被破壞，而另一個線粒體以不同的方式被破壞，那么這些線粒體可能會作出不同的反應(yīng)。