CRISPR與DNA條形碼 「聯姻」，追蹤癌症發展

CRISPR作為一項基因編輯新技術，已在生物學中得到了廣泛應用。現在，斯坦福大學的科學家找了一個新方法——將CRISPR/Cas9與DNA條形碼技術聯合起來，可以修飾小鼠的肺部中與癌症相關的基因，並能精確追蹤腫瘤的單個細胞。這一「強強聯合」或將顯著加速癌症研究和藥物開發。

來源： Courtesy Monte Winslow

該研究的資深作者、斯坦福大學醫學院的遺傳學家Monte Winslow說道，「人類癌症並不只是因為一個腫瘤抑制基因的突變，而且存在多種突變組合。但問題是，這些不同的突變基因是如何合作的？」

就在幾年前，這種圖譜研究是一項耗費巨大、歷時數年的工作。研究人員需要培育多種不同譜系的遺傳修飾小鼠，每隻小鼠都攜帶有不同的失活腫瘤抑制基因。為了探索所有可能的組合，研究人員需要構建成百上千隻的小鼠模型。

相比之下，Winslow和他的同事在幾個月之內就完成了相關實驗，只用了不到24隻小鼠。 「我們詳細分析了小鼠肺癌基因型的情況，遠超過去15年該領域所進行的研究。」 Winslow強調道。相關 研究結果發表在《Nature Genetics》雜誌上。

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一個瘋狂的想法

研究小組利用CRISPR-Cas9這個強大的基因編輯工具，就可以輕易地替換、修改或刪除生物體內的基因序列，從而在單個動物的肺中創造出多種基因不同的腫瘤。Winslow說，「我們可以在一隻老鼠身上誘發成千上萬的克隆腫瘤。」

然而，為了得出關於不同基因突變組合效應的有用結論，科學家需要一種精確的方法來標記追蹤不同腫瘤的生長。在這裡，傳統的技術是不夠的，包括嘗試切除和比較個體腫瘤的大小。

而最新的解決方案其實來自於斯坦福大學的進化生物學家Dmitri Petrov的一個瘋狂想法。Dmitri Petrov是這項新研究的資深作者，他曾與斯坦福大學的物理學家Daniel Fisher和遺傳學家Gavin Sherlock合作開發了DNA條碼，作為研究酵母快速進化的一種方法。當Petrov了解到Winslow的實驗時，他想DNA條碼這項技術或許可以應用在小鼠身上。

Winslow 最初聽聞這個想法，還有所顧慮。「Petrov是那種有很多瘋狂想法的人，起初，我們並不認為他的想法可行。後來，我們認為或許值得一試。」 Winslow說道。

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計算條形碼

Petrov的想法是，將短的、獨特的DNA序列黏附於小鼠肺內的單個腫瘤細胞。每一個序列的功能就像是遺傳條碼，當每個癌細胞擴增時，條碼的數量會隨之增加。

現在，科學家們不必煞費苦心地切除單個腫瘤，而是將整個癌肺取出，然後用高通量的DNA測序和計算分析來精確的確定腫瘤的大小，計算條形碼出現的頻率。通過分析不同的條碼，科學家可以比以前更精確地比較腫瘤的大小。

Petrov說，「我們現在可以在同一個小鼠身上產生大量具有特定遺傳特徵的腫瘤，並在規模和精度上分別跟蹤它們的生長。」

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遺傳多樣性

CRISPR-Cas9和DNA條形碼的結合，可以讓科學家在實驗室中複製癌症患者機體中所觀察到的遺傳多樣性，也克服了科學家對癌症複雜性的恐懼心理。

Winslow說，幾十年來，我們一直知道人類的腫瘤非常複雜，而且因人而異，如何能夠真正地重建它，以便能夠研究它？如今，在CRISPR/Cas9與DNA條形碼技術的結合下，我們可以同時模擬30種不同的癌症遺傳變異。

這項研究還有一個驚人的發現——許多腫瘤抑制基因都是與環境相關的，也就是說，當另外一個基因存在或缺失時僅會影響腫瘤的生長 。「我們現在處於一個很好的位置，可以理解關鍵的癌症驅動基因是如何相互作用的，以及為什麼攜帶相同突變的腫瘤有時會進展迅速，有時卻不會。」 研究的第一作者Christopher McFarland說，他是Petrov實驗室的博士後學者。

這項組合技術對癌症藥物測試或許也有幫助，製藥公司可以同時檢測數千種腫瘤變異的藥物，以觀察哪些藥物對治療有反應，哪些藥物沒有反應。

「我們可以幫助理解為什麼靶向療法和免疫療法有時在病人身上效果很好，有時卻會失敗。」 Petrov說，「我們假設腫瘤的遺傳異質性可能是部分原因，研究人員希望能夠進行更為深入的研究。」

責編：浮蘇

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參考資料：1）Scientists combine CRISPR and DNA barcoding to track cancer growth

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