华人科学家利用CRISPR插入“自杀基因”使癌细胞自我毁灭
日前，科学家们又在抗癌领域有了新的发现！《自然 生物技术》杂志上，匹兹堡大学医学院的研究人员发表研究，他们利用CRISPR-Cas9将癌细胞中具有特异性的“融合基因”中的特殊序列替换为“自杀基因”，让肿瘤“自爆”，成功缩小了肝癌和前列腺癌小鼠模型的肿瘤，显著提高了患癌小鼠的生存率[1]！
对于这个新研究，匹兹堡大学病理学系高通量基因组中心主任，同时也是研究的通讯作者，Jianhua Luo教授表示：“这是首次使用基因编辑来特异性靶向癌症融合基因。我们对此感到非常兴奋，因为这可能为一种全新的癌症疗法奠定了基础。”[2]
Jianhua Luo教授
Luo教授是一位优秀的华人科学家，他曾就读于广州医学院，目前是匹兹堡大学医学院的医生和病理学教授。过去的十几年中，Luo教授一直致力于研究前列腺癌和肝癌的遗传及分子机制，发现了几个与两种癌症有关的基因和关键的信号通路。Luo教授也是使用甲基化阵列和全基因组甲基化测序来分析前列腺癌的第一人[3]。
想要了解Luo教授的新研究，我们首先要知道一个非常重要的概念：融合基因。它指的是一些本来应该“没有交集”但却异常地“连接”在了一起的基因，这类基因会具有与“融合”前不同的功能，产生促进癌症发生和发展的异常蛋白质。
在2014年的研究中，Luo教授和他的团队发现了一组与前列腺癌有关的“融合基因”，研究中有91%的患者携带其中一种或者几种，它们的存在导致已经全部切除病灶的患者在术后不久就经历了复发和转移[4]。而在今年的早些时候，Luo教授又证实，之前发现的融合基因中的一个——MAN2A1-FER在其他几种癌症，包括肝癌、卵巢癌和肺癌中也同样存在，使得肿瘤能够快速生长和转移[5]。
在新的研究中，除了MAN2A1-FER，研究人员还锁定了另一个目前在前列腺癌中特异性存在的融合基因TMEM135-CCDC67。有了两个目标基因还远远不够，他们还要确定融合基因的“断裂点（breakpoints）”，断裂点其实就是两个基因在发生融合时“相结合”的位置（一段碱基序列）。找到合适的断裂点后，研究人员就可以把“自杀基因”插入其中，然而肿瘤对此“一无所知”，悄无声息地就“一命呜呼”了！
TMEM135和CCDC67基因形成“融合基因”及断裂点示意图
那么“自杀基因”究竟是如何工作的呢？首先，需要将某些细菌或病毒的基因导入靶细胞中，这些基因能够表达相应的酶，催化本来无毒的前体药物（prodrug）转化为细胞毒物质，这样，携带基因的细胞就会被“毒”死了。这次研究中所使用的“自杀基因”是编码HSV1-tk的基因，HSV1-tk是单纯疱疹病毒1型胸苷激酶（herpes simplex virus type 1 thymidine kinase），它所对应催化的前体药物是更昔洛韦（ganciclovir，GCV）。
在这次的设计中，研究人员利用CRISPR-Cas9技术将HSV1-tk的编码基因插入到融合基因的断裂点位置，催化注射入体内的更昔洛韦转化为细胞毒物质，抑制DNA的合成，癌细胞就会加速凋亡了！而且由于“融合基因”只存在于癌细胞中，所以这种方法的特异性是很高的。
为了验证这一点，研究人员在体外创建了两种前列腺癌细胞系（PC3和DU145），然后分别给两个细胞系中的一部分人为导入TMEM135-CCDC67断裂点。通过对比，他们发现，有断裂点的细胞死亡率要明显高得多，而缺少断裂点的细胞即使暴露在高浓度的更昔洛韦中，也不会有大量的死亡。这说明，更昔洛韦对癌细胞的杀伤力是具有“断裂点依赖性”的。
两个细胞系暴露在不同浓度的更昔洛韦中，细胞的死亡率，蓝色和红色为有/无断裂点的PC3细胞系，紫色和绿色为有/无断裂点的DU145细胞系
接下来，研究人员将两种细胞系中培养的癌细胞分别移植给了小鼠，移植3周后，小鼠体内的肿瘤达到了约700mm3，然后研究人员对小鼠们进行了分组治疗。同时转进了包含gRNA、Cas9和HSV1-tk编码基因的腺病毒的小鼠肿瘤缩小了30%，而其余对照组的小鼠肿瘤迅速增长，增大了近40倍！在8周的观察期中，几个对照组的小鼠肿瘤发生转移，相继死亡，而治疗组小鼠完全相反，既没有出现转移，也没有死亡。
PC3（左）和DU145（右）细胞系肿瘤大小随时间变化的对比（点击可看大图）
接受包含gRNA、Cas9D10A和HSV1-tk编码基因的腺病毒治疗的小鼠（蓝）和对照组小鼠（红）的存活率对比
Luo教授打比方说，“其他类型的癌症疗法是针对癌细胞军队中的‘士兵’，而我们的方法是直接瞄准‘指挥中心’，这样敌军的士兵就没有办法‘集结’起来。”即使出现新的“突变”，研究人员仍然可以靶向新出现的“融合基因”，进行持续的治疗[2]。
尽管在这次的研究中，研究人员只是观察到了肿瘤缩小，但Luo教授表示，这只是这种全新抗癌方法的开端，他们下一步的研究将专注于如何改良能够“根除”肿瘤，而不再仅仅是减小。
参考资料：
[1] Zhang-Hui Chen, Yan P Yu, Ze-Hua Zuo, JoelB Nelson, George K Michalopoulos, Satdatshan Monga, Silvia Liu, George Tseng,Jian-Hua Luo. Targeting genomic rearrangements in tumor cells throughCas9-mediated insertion of a suicide gene. Nature Biotechnology, 2017; DOI:10.1038/nbt.3843
[2] http://www.upmc.com/media/NewsReleases/2017/Pages/novel-gene-editing-.aspx
[3] https://www.omicsonline.org/editor-profile/Jianhua_Luo/
[4] Yan P Y, Ding Y, Chen Z, et al. Novel fusion transcripts associate with progressive prostate cancer[J]. The American journal of pathology, 2014, 184(10): 2840-2849.
[5] Chen Z H, Yan P Y, Tao J, et al. MAN2A1–FER Fusion Gene Is Expressed by Human Liver and Other Tumor Types and Has Oncogenic Activity in Mice[J]. Gastroenterology, 2017.
来源：奇点网
本周科研进展
- 中科院生物化学与细胞生物学研究所陈玲玲研究组在最新的一项研究中揭示了细胞核仁里长非编码RNA SLERT在RNA聚合酶I转录过程中的重要功能和作用机制。5月5日，相关研究成果发表于国际著名学术期刊《细胞》(Cell)杂志。这是首次在人类细胞中发现可以调控RNA聚合酶转录的长非编码RNA。该项研究成果还一并阐释了此RNA与众不同的功能，拓展了长非编码RNA的作用机制。
- 中国科学院遗传与发育生物学研究所梁承志研究组与四川农业大学教授李仕贵合作，对一个籼稻基因组蜀恢498进行PacBio单分子测序，结合遗传图谱和fosmid文库测序，并利用了BioNano光学图谱的验证，最后得到一个长度为390.3 Mb的基因组，共由17个连续DNA片段组成，包括7条头尾相连的染色体和5条分成两个Super-Contig的染色体。蜀恢498的基因组是目前所有高等动植物中组装质量最高的基因组，该项研究于5月4日在《自然-通讯》杂志在线发表。
- 日前，来自美国天普大学路易斯·卡茨医学院（LKSOM）的研究小组发布的最新研究表明，HIV病毒的DNA可以从活体动物基因组中切除，从而避免进一步感染。此外，研究人员首次在三种不同的动物模型中进行了这项实验，包括一个拟人化模型，此模型将人类免疫细胞移植到小鼠体内并用病毒进行感染。最新研究结果近期发表在Molecular Therapy杂志上。
- 近日，一项刊登在国际杂志Nature Genetics上的研究报告中，来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员通过研究发现，DUX蛋白家族成员或许能够“点燃”新生胚胎中的基因表达程序，该研究也将会成为发育生物学中的一大里程碑。研究者发现，当DUX4蛋白在肌肉细胞中被强制产生时，其就会在受精卵基因组激活期间开启一系列基因的表达，同时研究者也首次发现DUX4是一种关键的调节子。
- 最近发表在The New England Journal of Medicine上题为《Tracking the Evolution of Non-Small-Cell Lung Cancer》的研究，以100名非小细胞肺癌(NSCLC)患者为对象，发现在肿瘤的不同阶段、在克隆和亚克隆水平发生着包括点突变、拷贝数变异在内的各种基因变异。这些持续的染色体不稳定导致了肿瘤内部的异质性，并且拷贝数变异的水平与肿瘤的复发、患者的死亡具有相关性。
- 日前，来自麻省综合医院（MGH）和哈弗大学的研究人员开发了一种通过测序体外检测切割效应的方法，称作CIRCLE-seq，该方法是一种高度灵敏的体外筛查法，比现有识别CRISPR/Cas9全基因组脱靶突变的细胞学或生化方法更有效，相关研究发表于Nature Methods。
- 中国科学院昆明植物研究所高立志研究员带领的研究团队于2010年首次在国际上启动了茶树基因组计划，该团队经过7年的努力与国内外诸多单位联合攻关，攻克了茶树高杂合、高重复和基因组庞大的植物基因组测序的难题，终于率先破译了茶树基因组并揭示茶叶风味、适制性及茶树全球生态适应的遗传学基础，该成果于5月1号在线发表在Molecular Plant杂志上。
新发表文章
【新技术】
1. ICoVeR – an interactive visualization tool for verification and refinement of metagenomic bins. Broeksema B et al.BMC Bioinformatics. 2017 May 2
2. The Plant Orthology Browser: An Orthology and Gene-Order Visualizer for Plant Comparative Genomics.Tulpan D et al.Plant Genome. 2017 Mar
3. Using FunSeq2 for Coding and Non-Coding Variant Annotation and Prioritization.Dhingra P et al.Curr Protoc Bioinformatics. 2017 May 2
4. plantiSMASH: automated identification, annotation and expression analysis of plant biosynthetic gene clusters.Kautsar SA et al.Nucleic Acids Res. 2017 Apr 27.
【动物】
1. Gene co-expression network analysis identifies porcine genes associated with variation in metabolizing fenbendazole and flunixin meglumine in the liver.Howard JT et al.Sci Rep. 2017 May 2
2. Systematic identification and characterization of cardiac long intergenic noncoding RNAs in zebrafish.Wang L et al.Sci Rep. 2017 Apr 28
【植物】
1. Expression of Root Genes in Arabidopsis Seedlings Grown by Standard and Improved Growing Methods.Qu Y et al.Int J Mol Sci. 2017 May 3
2. Challenges to genome sequence dissection in sweetpotato.Isobe S et al.Breed Sci. 2017 Jan
【微生物】
1. Molecular detection and characterization of a divergent isolate of Plantago asiatica mosaic virus in Plantago asiatica.Lim S et al.Virusdisease. 2016 Sep
【肿瘤】
1. Novel transcription-induced fusion RNAs in prostate cancer.Zhao S et al.Oncotarget. 2017 Apr 13
2. A comparative analysis of whole genome sequencing of oesophageal adenocarcinoma pre- and post-chemotherapy.Noorani A et al.Genome Res. 2017 May 2.
3. Comprehensive Transcriptome and Mutational Profiling of Endemic Burkitt Lymphoma Reveals EBV Type-Specific Differences.Kaymaz Y et al.Mol Cancer Res. 2017 May
4. Conditional knockin of Dnmt3a R878H initiates acute myeloid leukemia with mTOR pathway involvement.Dai YJ et al.Proc Natl Acad Sci U S A. 2017 May 1.
5. Small RNA sequencing reveals metastasis-related microRNAs in lung adenocarcinoma.Daugaard I et al.Oncotarget. 2017 Apr 18
6. The β-catenin/CBP-antagonist ICG-001 inhibits pediatric glioma tumorigenicity in a Wnt-independent manner.Wiese M et al.Oncotarget. 2017 Apr 18
7. Metabolic heterogeneity signature of primary treatment-naïve prostate cancer.Lin D et al.Oncotarget. 2017 Apr 18
8. Novel insights into circular RNAs in clinical application of carcinomas.Rong D et al.Onco Targets Ther. 2017 Apr 18
【其他】
1. Comprehensive population-wide analysis of Lynch syndrome in Iceland reveals founder mutations in MSH6 and PMS2.Haraldsdottir S et al.Nat Commun. 2017 May 3
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