基因新闻 第139页

2018年4月19日/生物谷BIOON/—基因疗法有潜力治疗遗传病，但是令科学家感到沮丧的一个主要问题依然存在：利用健康的基因替换“不好的”基因往往只是短暂地修复。在通常情况下，健康的替代性基因仅在几周内发挥作用。

如今，在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学圣路易斯医学院的研究人员将基因编辑工具CRISPR/Cas9与一种失活的病毒相结合，将健康基因运送到活的小鼠体内的精确位置。更为重要的是，这些研究人员证实所运送的健康基因在小鼠体内正确地保持活性至少6个月的时间。 根据他们的说法，这种类型的基因表达的持续时间通常为四至六周。他们在六个月的时间内结束了对小鼠的实验，不过他们表示，这种基因表达的持续时间相当于这种修复能在小鼠体内持续终生。相关研究结果近期发表在Gene Therapy期刊上，论文标题为“Targeted in vivo knock-in of human alpha-1-antitrypsin cDNA using adenoviral delivery of CRISPR/Cas9”。

论文通信作者、放射肿瘤学教授David T. Curiel博士说，“多年来，基因疗法存在的一种限制是很难实现长期的基因表达来治疗疾病。我们证实长期表达α-1-抗胰蛋白酶编码基因可治疗α-1-抗胰蛋白酶缺乏症（alpha-1-antitrypsin deficiency），其中α-1-抗胰蛋白酶缺乏症是最常见的遗传性肺气肿形式。如今，我们正在将这种技术应用于治疗血友病。血友病是一种血液不会正确地凝固的遗传病。”

数十年来，科学家们研究了利用病毒直接运送基因到细胞中的潜力。尽管有人近期成功地利用病毒成功地运送健康基因并且缓解患者的症状，但是人们仍然无法控制病毒将基因插入到细胞DNA中的位置，这会增加不想要的突变风险。

但是CRISPR/Cas9基因编辑技术的出现改变了这一点。虽然CRISPR/Cas9并不完美，但是相比于其他的基因编辑技术，它是一种精确地编辑基因组的方法，而且是用户友好的。科学家告诉CRISPR/Cas9在细胞中寻找什么样的靶DNA片段，以及利用哪种DNA序列取代它们或将哪种DNA序列插入到靶DNA片段所在的位置上。CRISPR/Cas9面临的挑战是将它送到体内的正确位置。

为此，Curiel和他的团队将病毒运送方法与CRISPR/Cas9相结合来克服这两种技术的局限性。他们利用腺病毒作为运送载体，并且利用CRISPR/Cas9作为导航员和编辑器，一旦CRISPR/Cas9到达靶位置上，就将想要的基因插入到不太可能导致问题的基因组区域中。

Curiel说，“我们利用CRISPR/Cas9将这种病毒靶向到被称为安全港的基因组区域上。这些基因组区域都是沉默的DNA序列，不存在于更加活跃的DNA区域中，因而在那里，这种类型的编辑不太可能做任何有害的事情。”

为了最大限度地提高基因编辑效率和持续期限，Curiel和他的同事们利用腺病毒作为运送载体。人们已证实作为一种能够导致普通感冒的病毒，腺病毒在基因转移方面要比其他病毒更加高效。

这项研究中的小鼠在实验期间似乎是健康的，但腺病毒的安全性问题仍然存在着，而且CRISPR/Cas9系统可能引发免疫反应的问题也依然存在着。Curiel和他的团队正在进一步研究联合使用腺病毒运送和CRISPR/Cas9技术的安全性和有效性。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Calvin J. Stephens, Elena Kashentseva, William Everett et al. Targeted in vivo knock-in of human alpha-1-antitrypsin cDNA using adenoviral delivery of CRISPR/Cas9. Gene Therapy, Published online:
27 March 2018, doi:10.1038/s41434-018-0003-1

基因治疗载体分为两大类：病毒载体（主要包括慢病毒、腺病毒、逆转录病毒、腺相关病毒等），非病毒载体（主要包括裸露DNA、脂质体、纳米载体等）

在讲基因治疗载体前，我们先讲一下基因治疗中的两个概念：in vivo和ex vivo。

in vivo：活体直接转移，将带有遗传物质的载体直接注射到实验动物或人体内。适用载体：腺相关病毒、腺病毒、非病毒载体等。

ex vivo：在体转移，将实验对象的细胞取出，体外培养并导入重组基因，而后将这些经遗传修饰的细胞重新输回实验动物体内。适用载体：慢病毒、腺病毒、逆转录病毒等。

接下来我们介绍以下常用的基因治疗载体

基因治疗中的病毒载体

逆转录病毒（RV）：单链RNA病毒，可高效地感染多种类型细胞，可以将外源基因随机插入并稳定整合到宿主细胞基因组中持续表达。其中γ-逆转录病毒载体最早被改造的且广泛地被应用到基因治疗中，并取得了不少巨大的成功。

不足之处：①不能感染非分裂细胞；②转录终止能力相对较弱，从而有可能造成转录通读；③可能产生有复制能力的病毒；④可能造成插入性突变，例如使用逆转录病毒载体治疗的10例X连锁重度复合型免疫缺陷病(X-SCID)患者中，有4例因载体整合在原癌基因LMO2等的附近，激活下游基因的表达而罹患白血病。

逆转录病毒的插入位点是随机的，但更偏向于插人基因的第一个内含子和转录起始位点。此后人们开始重新审视基因治疗载体的使用所带来的风险，此次使用逆转录病毒治疗JEB后，研究团队通过全基因测序确定了插入位点，发现有27000多个插入位点，但基本都集中在非编码序列，没有破坏已知的抑癌基因。

慢病毒（LV）：以HIV-1（人类免疫缺陷I型病毒）为基础发展起来的基因治疗载体。属于逆转录病毒，能有效感染分裂细胞和非分裂细胞。随机插入并稳定整合到宿主细胞基因组中持续表达。一系列的临床研究效果非常理想，具有广阔的应用前景。

慢病毒因为也属于逆转录病毒，所以也存在因为随机插入造成基因突变的风险，但是一系列的临床研究证实，慢病毒载体相对于逆转录病毒来说安全性更高，适用性也更广。

腺病毒（AdV）：无包膜的线性双链DNA病毒，腺病毒载体宿主细胞范围广泛，有效感染分裂细胞和非分裂细胞，不与宿主细胞基因组整合，因而不存在插入突变风险，载体容量较大 。

不足之处：①缺乏特异靶向性，在一些缺乏其相应受体的细胞中感染效率低；②目的基因的表达时间短，可能需要重复治疗；③有较强的免疫原性，例如18岁少年Jesse Gelsinger在接受Jim Wilson教授主导的腺病毒（AdV）的临床治疗中，因强烈的免疫反应去世（图4），此后Wilson教授找到了更适合更安全的用于基因治疗的病毒载体：腺相关病毒（AAV）。

腺相关病毒（AAV）：目前发现的一类结构最简单的单链DNA缺陷型病毒，需要辅助病毒（通常为腺病毒）参与复制。由于其安全性好、宿主细胞范围广、免疫源性低，在体内表达外源基因时间长等特点，被视为最有前途的基因治疗载体，在世界范围内的基因治疗和疫苗研究中得到广泛应用。

不足之处：2018年1月29日，Human Gene Therapy杂志发表了美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院James.M.Wilson教授作为通讯作者的题为：Severe toxicity in nonhuman primates and piglets following high‐dose intravenous administration of an AAV vector expressing human SMN的研究文章（图5）。研究认为静脉高剂量注射AAV病毒用于基因治疗会有严重毒性。详情点击：过犹不及：最安全的基因治疗载体AAV被证实存在严重毒性作用

除了上述几种常用的病毒载体外，在临床基因治疗中还有牛痘病毒载体、痘病毒载体、单纯性疱疹病毒载体等，由于使用较少，不再一一介绍。

基因治疗中的非病毒载体

在临床基因治疗中，病毒载体存在潜在安全性问题，且病毒载体容量有限，这些缺点促进了非病毒载体系统的发展。非病毒载体具有成本低、制备简单、便于大规模生产、安全性高、外源基因长度不受限制等优点。最简单的非病毒载体是裸DNA，可直接注入特定的组织，特别是肌肉，能达到较高水平的基因表达，在临床基因治疗中裸DNA有着较为广泛的应用。以及近期异军突起的纳米材料载体，之前BioWorld专门做过解读，详情点击：CAR-T新策略：纳米颗粒携带CAR载体在体内产生CAR-T细胞。

非病毒载体虽然有着诸多优点，但也存在着明显的缺点：①转染效率不理想；②外源基因转导到宿主细胞后表达时间短，③非特异性靶向较高等，因此非病毒载体进入临床治疗还需要做更深入的研究与改进 。

2017年，基因治疗领域的一系列成功，宣告了基因治疗时代的到来。我们的最终目标是安全有效的治愈癌症和遗传疾病，这个在之前看来的不可能任务正通过基因治疗在一步步实现。(生物谷Bioon.com）

2018年5月10日 讯 /生物谷BIOON/ –近日，一项刊登在国际杂志Nature Medicine上的研究报告中，来自德克萨斯大学MD安德森癌症中心的科学家们通过研究发现，一种频繁突变的肿瘤抑制基因—ARID1a的功能性缺失或会诱发正常DNA修复功能的缺失，并且促进肿瘤对免疫检查点抑制剂疗法变得敏感，前期研究结果表明，ARID1a的突变或能帮助有效预测免疫疗法的成功性。

图片来源：MD Anderson Cancer Center

文章中，研究人员首次阐明了ARID1a在调节DNA错配修复（MMR）上扮演的关键角色，DNA的错配修复时细胞纠正DNA损伤的正常过程；研究者指出，利用靶向作用PD-1的免疫检查点抑制剂疗法或能成功减轻机体的肿瘤负担，并且延长携带ARID1a缺失肿瘤的小鼠模型的寿命。ARID1a的突变频发于广泛的癌症类型中，尤其是在某些类型的癌症中常常突变频率较高（15%-50%），比如卵巢癌、子宫内膜癌、胃癌和膀胱癌等，然而大部分突变都会诱发ARID1a功能的缺失，从而就使其成为了一个不太理想的治疗靶点。

研究者Guang Peng教授说道，由于ARID1a是一个高度突变的癌症基因，我们想通过研究更好地理解ARID1a的生物学功能及其潜在的治疗易感性，如今我们进行了一系列分子生物学的分析，首次发现ARID1a的缺失或许与DNA的错配修复缺失存在一定的因果关系。文章中研究人员对癌细胞进行筛选后鉴别除了能与ARID1a相互作用的特殊蛋白，同时还发现了其与MSH2之间的关联，MSH2是一种能调节DNA错配修复的关键蛋白，随后的两项体外实验结果表明，ARID1a对于正常的错配修复非常重要。

DNA错配修复缺陷的肿瘤常常被认为会积累大量的遗传突变，而随着疾病进展还会产生相应的突变蛋白（新生抗原），这些新生抗原能刺激机体免疫反应，使得肿瘤对于检查点抑制剂疗法更加敏感。随后研究人员对癌症基因组图谱中的多种类型癌症的数据进行分析，证实了携带ARID1a突变的肿瘤的确携带有较高的突变负载，此外，ARID1a突变通常还在一些微卫星不稳性（MSI）的肿瘤中常见，而MSI是错配修复异常的另一个标志物。

研究者Peng说道，如今FDA认为错配修复的缺失能作为使用检查点抑制剂免疫疗法的标志物，因此研究人员就想知道是否ARID1a缺失的肿瘤能够增加对检查点抑制剂的敏感性，因为这些肿瘤中常常含有损伤的错配修复机制以及较高的突变载量。深入分析后研究者发现，携带ARID1a突变的肿瘤常常会通过依据免疫标记物的基因表达水平来展现出免疫系统的激活特性，因此研究人员调查了免疫检查点抑制剂是否能用来治疗携带ARID1a突变的肿瘤。

利用卵巢癌和结直肠癌的小鼠模型进行研究，研究人员对比了抗PD-1疗法在治疗携带ARID1a突变肿瘤的小鼠及功能正常的ARID1a的对照小鼠中的作用效果，结果表明，检查点抑制剂疗法能够明显改善携带ARID1a突变的小鼠寿命，这也就表明免疫疗法能够用来治疗携带ARID1a突变的肿瘤的患者。研究者说道，我们的研究发现了ARID1a突变和错配修复缺陷的关联，或能提供免疫检查点抑制剂的治疗靶点，我们希望本文的研究数据能够帮助我们开展临床试验来检测ARID1a是否能作为免疫检查点抑制剂疗法的一种新型生物标志物。

最后研究者表示，他们还需要进行更为深入的研究来证实是否能在临床患者样本中得到类似的结果，后期他们希望能够开启临床研究调查多种癌症类型中ARID1a突变的价值，以及其是否能作为靶向PD-1检查点抑制剂疗法反应的预测子。（生物谷Bioon.com）

原始出处：

Shen J, Ju Z, Zhao W, et al. ARID1A deficiency promotes mutability and potentiates therapeutic antitumor immunity unleashed by immune checkpoint blockade. Nat Med. 2018 May 7. doi: 10.1038/s41591-018-0012-z

2018年5月23日/生物谷BIOON/—科学家们知道在阿尔茨海默症和帕金森病等神经系统疾病中，有缺陷的蛋白会导致有害堆积物或“聚集物”。尽管这些蛋白堆积物的原因仍然是一个谜，但是人们已知当细胞不能将适当的遗传信息传递给蛋白时异常的蛋白聚集物就会产生。美国加州圣地亚哥分校的Susan Ackerman教授和她的同事们在10多年前就开始着重关注这种导致大脑疾病的原因。如今，通过更加深入地开展这方面的研究，她和她的同事们鉴定出一个基因Ankrd16，它可阻止他们最初观察到的这些蛋白聚集物。相关研究结果发表在Nature期刊上，论文标题为“ANKRD16 prevents neuron loss caused by an editing-defective tRNA synthetase”。

通常，从基因到蛋白的信息转移受到仔细控制—生物学“校对”和校正—以避免产生不适当的蛋白。作为他们近期开展研究的一部分，Ackerman、Paul Schimmel（美国斯克里普斯研究所）、My-Nuong Vo（斯克里普斯研究所）和Markus Terrey（加州大学圣地亚哥分校）鉴定出Ankrd16拯救特定的神经元，即浦肯野细胞（Purkinje cell），而且当校对失败时，它们会死亡。如果没有正常水平的Ankrd16，这些位于小脑中的神经细胞错误地激活氨基酸丝氨酸，随后这些丝氨酸被不适当地掺入到蛋白中并引起蛋白聚集。

Ackerman说，“简单而言，你可能认为Ankrd16像海绵或‘故障保护装置（failsafe）’那样发挥作用：捕获受到错误激活的丝氨酸并阻止这种氨基酸被不适当地掺入道蛋白中，当神经细胞的校对和校正错误的能力下降时，这是特别有用的。”

浦肯野细胞中的Ankrd16水平通常较低，这使得这些神经元容易受到校对缺陷的影响。提高Ankrd16的水平可保护这些细胞免于死亡，同时移除来自存在校正缺陷的小鼠的其他神经元中的Ankrd16会导致异常蛋白的广泛积聚集并最终导致神经元死亡。

这些研究人员指出仅少数几个涉及疾病突变的修饰基因（如Ankrd16）已被鉴定出来，而且一种用于理解神经退行性疾病的基于修饰基因的潜在病理机制可能是一种理解疾病发展的有效途径。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

My-Nuong Vo, Markus Terrey, Jeong Woong Lee et al. ANKRD16 prevents neuron loss caused by an editing-defective tRNA synthetase. Nature, Published online:16 May 2018, doi:10.1038/s41586-018-0137-8

2018年6月7日/生物谷BIOON/—在过去的300万年中，更大大脑的进化在我们作为一个具有思考、解决问题和发展文化的能力的物种中起着重要作用。但是，让我们成为人类的大脑扩大背后的遗传变化一直是个迷。在两篇发表在2018年5月31日的Cell期刊上的论文中，两组研究人员鉴定出一个基因家族—NOTCH2NL，它似乎在人类特异性的皮层发育中起着重要作用，并且可能成为我们较大的大脑进化的一种驱动力。NOTCH2NL基因延长皮层干细胞分化为神经元，导致在整个发育过程中产生更多的神经元。这些基因仅在人类中发现，在人类大脑皮层的神经干细胞中高度表达，并位于与神经发育障碍相关的一个基因组区域中。 作为第一篇论文的资深作者，加州大学圣克鲁兹分校生物信息学家David Haussler说，“我们的大脑主要通过扩大大脑皮层的某些功能区域而变得三倍大，并且这必定是我们成为人类的基础。相比于发现和破解让我们成为我们自己的神秘遗传变化，真地没有更加令人关注的科学问题。”

由Haussler、荷兰阿姆斯特丹大学资深作者Frank Jacobs以及加州大学圣克鲁兹分校资深作者Sofie Salama领导的一个研究小组当意识到他们能够在人细胞中检测到NOTCH2NL但不能在猕猴细胞中检测到它时，就在干细胞衍生的模型中比较了在人类和猕猴大脑发育过程中表达的基因。通过研究NOTCH2NL，他们也没有在猩猩身上观察到它，并且在与我们的亲缘关系最为接近的大猩猩和黑猩猩身上发现了截短的没有活性的NOTCH2NL版本。

重建NOTCH2NL基因的进化历史揭示出一个被称作基因转换的过程可能负责修复NOTCH2NL的非功能性版本，NOTCH2NL最初是作为一个重要的神经发育基因（即NOTCH2）的部分重复而出现的。这种修复仅在人类中发生—他们估计它发生在3～4百万年前，大约相同时间的化石记录提示着人类大脑开始扩大。在它被修复之后，但在我们跟我们与尼安德特人的共同祖先在进化上分开之前，NOTCH2NL又被复制了两次。

在第二篇论文中，比利时布鲁塞尔自由大学发育生物学家Pierre Vanderhaeghen领导的一个研究小组从另一个相关的方向发现了NOTCH2NL，具体而言是在寻找胎儿大脑发育期间有活性的人类特异性基因的过程中发现的。Vanderhaeghen说，“诸如我们之类的研究人员的最终目标之一就是在人类发育和进化期间发现是什么导致更大的大脑，特别是大脑皮层。考虑到相对较快的人类大脑进化，很容易推测新进化出的人类特异性基因可能有助以一种物种特异性的方式塑造我们的大脑。”

寻找参与大脑发育的人类特异性基因经证实是具有挑战性的，这是因为这些基因通常在基因组数据库中很少被注释，这就很难将它们与其他物种中存在的更常见基因区分开来。为了特异性地和高灵敏地检测人类胎儿大脑皮层中的人特异性基因，Vanderhaeghen团队开发出一种定制的RNA测序分析方法。这允许他们鉴定出在人类大脑皮层发育期间具有活性的35种人类特有的基因，包括NOTCH2NL基因。

Vanderhaeghen团队特别关注NOTCH2NL，这是因为它的祖先基因NOTCH2在控制皮层干细胞是否产生神经元或再生更多干细胞的信号转导过程发挥着重要作用。他们发现在小鼠胚胎中人工表达NOTCH2NL会增加小鼠皮层中的干细胞数量。为了更好地理解这些基因在人体中的作用，他们利用由人体多能性干细胞产生的一种皮层发育体外模型来探究NOTCH2NL功能。

在这个模型中，他们发现NOTCH2NL能够显著增加皮层干细胞的数量，这接着产生更多的神经元，这一特征有望区分人类和非人类皮层神经发生。Vanderhaeghen说，“对一个干细胞而言，你要么再生出两个干细胞，产生两个神经元，要么产生一个干细胞和一个神经元。NOTCH2NL所做的事情就是让这种命运决定稍微偏向于再生干细胞，这样它们随后就继续产生更多的神经元。这是一个很小的早期效应，但在后期产生较大的结果，这种情形经常在进化过程中发生。”

Haussler团队研究了当NOTCH2NL未表达时会发生什么：他们在人类干细胞中将它剔除，并利用它们培养出被称作类器官的皮层补片。在这些源自NOTCH2NL缺失的干细胞的类器官中，它们更快地分化，但所形成的的类器官更小。Jacobs说，“如果你缺失了NOTCH2NL，那么它会导致皮层干细胞过早地分化为神经元，但是与此同时这些非常重要的干细胞库会枯竭。”

NOTCH2NL在基因组上的位置在此之前都被错误地绘制，而这一次的正确绘制进一步支持了它在人类大脑中的作用。已知一个被称作1q21.1的基因组区域的重复或缺失分别导致大头畸形或小头畸形，并且与一系列神经发育病症（包括注意缺陷多动障碍、自闭症谱系障碍和智力残疾）相关联。Haussler团队研究了11名在这个区域出现错误的患者，结果发现NOTCH2NL确实在与导致的更大和更小的大脑尺寸相关的重排事件中发生复制和缺失。 Haussler说，“我们真地希望这个基因处于1q21.1的致病区域，这是因为它具有逻辑意义，但是在不正确的参考基因组中，它并不如此。随后我们发现了新数据，而且我们意识到这是参考基因组发生错误！当你希望某些似乎是假的东西是真实的时，这是很少发生的，但结果证实它确实是真实的。我认为这种事情在我的职业生涯中将不会再发生。”

鉴于在某种意义上NOTCH2NL是更大的大脑和1q21.1疾病易感性之间的进化平衡，这些研究人员都很快指出这里面也有很多健康上的变化。Salama说，“这可能会让我们得到一个较大的大脑，这是一个福音。不过，这也是一个祸根，这是因为我们可能产生这些可能是不好的重组事件。但是当我们开发出在个人中对这个基因进行测序的技术时，我们发现它有多个不同的等位基因。这种变异有可能产生在让人能够成为人中起着重要作用的细微差异和可塑性。”

当涉及NOTCH2NL时，仍然存在很多未知数。 Haussler团队指出他们仅能够研究一小部分患者的基因组，而且他们的类器官模型并没有解决皮层发育的后期阶段，而在皮层发育的后期阶段，NOTCH2NL可能起着更加重要的作用。Vanderhaeghen团队想要解决的另一个重要问题是在大脑发育过程中发现的其他人类特异性基因（特别是也在1q21.1区域或与大脑疾病相关的其他基因组区域中发现的那些基因）发挥什么作用。尽管这两个研究小组都能够证证实NOTCH2NL参与了已被充分研究的Notch信号通路，但是Vanderhaeghen承认NOTCH2NL打破分化和再生之间的平衡的确切机制仍存在不确定性。

Vanderhaeghen说，“令人吃惊的是，有许多信号通路控制着胚胎发育，并且在物种之间是完全保守的。Notch信号通路是一种最古老的信号通路。你能够在你研究的每只动物体内找到它。自从动物存在以来，它就一直被发育中的胚胎使用。然而，特别地在人类谱系中，这种信号通路通过NOTCH2N产生新的功能。”

Jacobs说，“这个基因位点在整个进化过程中产生不稳定性，因此对这些非功能性的NOTCH2NL基因的修复随时都可能会发生。它可能早在灵长类谱系中发生过，并对大脑发育产生巨大影响。但是事实并非如此。这与运气或偶然相关，这也一直吸引着我：你如何从我们的基因组中的功能不明确的部分中找到具有如此重要功能的东西，并且这种东西被我们的物种用于选择这些重要的性质。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Meet NOTCH2NL, the human-specific genes that may have given us our big brains

Ian T. Fiddes15, Gerrald A. Lodewijk15, Meghan Mooring et al. Human-Specific NOTCH2NL Genes Affect Notch Signaling and Cortical Neurogenesis. Cell, 31 May 2018, 173(6):1356–1369, doi:10.1016/j.cell.2018.03.051

Ikuo K. Suzuki, David Gacquer, Roxane Van Heurck et al. Human-Specific NOTCH2NL Genes Expand Cortical Neurogenesis through Delta/Notch Regulation. Cell, 31 May 2018, 173(6):1370–1384, doi:10.1016/j.cell.2018.03.067

紫外辐射与气温是随纬度变化而变化的环境因子。在人类遗传上，是否存在同时导致对这两种环境因子变化适应的基因，一直是学界探寻的课题。我国多机构研究人员合作的一项最新成果，在进化遗传学国际期刊《分子生物学与进化》上回答了这一疑问。

据中国科学院昆明动物研究所宿兵研究员介绍，现代人在20至30万年前起源于非洲，大约于7.5万年前左右走出那里并扩散到世界各地。在这个漫长的过程中，人类面临着环境条件变化的影响，从而对基因组产生新的选择压力，导致产生新的生理和表型适应特性。如人群肤色的差异，就是对紫外辐射强弱变化最有代表性的适应表型——生活在赤道附近的人群肤色较深，而生活在高纬度地区的人群肤色较浅。他们此前的研究，已发现多个控制人群肤色变化的基因及其适应性的突变。

此次宿兵实验室与昆明理工大学、中科院北京基因组所合作，通过群体遗传和细胞功能实验分析，发现干细胞基因在欧洲和东亚群体中比其它个体留下更多的子代，而突变基因最终在整个群体中扩散，还出现在基因上游和下游的调控区。他们推测，干细胞因子在现代人走出非洲向高纬度地区扩散的过程中，可能经历了不止一次的选择事件。他们发现干细胞基因上不仅存在欧亚群体中富集的导致肤色变浅的突变，还在基因的其它区域富集了对寒冷适应的突变，并通过细胞低温培养实验得到了验证。

研究表明，这是一个基因的多种功能在人群中同时受到选择并影响表型的例证，它对了解人类环境适应和表型多样性的遗传基础具有重要的启示。

据悉，宿兵团队曾在2016年报道了色素调控基因OCA2在东亚人群中导致肤色变浅的一个适应性突变外，还在2009年报道过P53基因的一个功能性突变，导致人群对高纬度冬季寒冷气候的适应。(生物谷Bioon.com）

2018年7月15日/生物谷BIOON/—一种有争议的能够改变整个物种基因组的技术已首次应用于哺乳动物中。在一项于2018年7月4日发表在bioRxiv预印本服务器上的研究[1]中，来自美国加州大学圣地亚哥分校研究人员描述了利用CRISPR基因编辑在实验室小鼠中开发可能根除有问题的动物群体的“基因驱动（gene drive）” 技术。

基因驱动确保将经过选择的突变传递给动物的几乎所有后代。作为一种潜在的疟疾控制策略，科学家们已在实验室中构建出针对蚊子的基因驱动[2]。人们已提出了这种技术有助于杀死入侵的大鼠、小鼠和其他的啮齿类动物害虫的可能性。这项最新的研究浇灭了这种情形很快就会发生的希望。这种技术在实验室小鼠中发挥的作用缺乏一致性，而且在人们考虑在野外使用这种工具之前，无数的技术障碍仍然存在着。

澳大利亚阿德莱德大学发育遗传学家Paul Thomas（未参与这项新的研究）说，“有迹象表明它可能起作用，但是人们对它的使用应保持清醒的头脑。在你考虑将基因驱动作为一种控制啮齿类动物群体的有用工具之前，还需要开展更多的研究。”作为利用基因驱动抵抗入侵的啮齿类动物的一个国际联盟的一部分，他的实验室正在开展类似的研究工作。

基因驱动的作用机制是确保更高比例的有机体后代确定性地而不是偶然地遗传某种“自私”基因，从而允许突变或外源基因在群体中快速地传播。它天然存在于包括小鼠在内的某些动物体内，这会导致它们死亡或不育。但是革命性的CRISPR-Cas9基因编辑工具[3]已导致人们开发出合成基因驱动，比如这种合成基因驱动通过确保后代是不育的来清除野外的传播疟疾的蚊子等有问题的物种。

这种技术引起了争议（尽管未能成功地在全球范围内禁止它的使用[4]），这是因为如果在野外使用的话，那么携带基因驱动的有机体有可能是难以遏制的。

在这项新的研究中，由加利福尼亚大学圣地亚哥分校发育遗传学家Kim Cooper领导的一个研究团队并没有尝试开发让实验室小鼠（Mus musculus）不育的基因驱动。相反，Cooper团队的目标是为这种技术创建一个也可能对基础研究有用的测试平台：它使得小鼠偏好遗传一种导致它们产生白色毛发的突变。

基于CRISPR的基因驱动利用这种基因编辑工具将一条染色体上的突变复制到与这条染色体配对的第二条染色体上，这通常是在动物的早期发育期间开展的。当Cooper团队在小鼠胚胎中尝试这种方法时，这种突变并不总是被正确地复制，并且这种方法仅适用于雌性小鼠的胚胎。

Cooper团队估计，平均而言，这可能导致一种突变传播到大约73％的雌性小鼠的后代，而不是大多数基因依据正常的遗传规则有50%的几率遗传给后代。Cooper拒绝针对她的团队的研究工作发表评论，这是因为它迄今为止并未在同行评审的期刊上发表。

作为在携带疟原虫的蚊子中开发基因驱动的研究团队的一员，英国伦敦帝国理工学院分子生物学家Tony Nolan很高兴看到基因驱动至少能够在啮齿类动物身上发挥作用。他说，即便这种技术不能成为一种根除工具，但是它也可能比现有技术更高效地产生转基因实验动物来模拟由多种突变引发的疾病。

其他的科学家们认为这项研究是比较重要的，但是它也表明这种技术在啮齿类动物中的使用还应走多远。在澳大利亚国立大学研究CRISPR的遗传学家Gaétan Burgio说，“你能想象这种基因在野外使用的情形吗？这是很难想象的。”这种技术的效率相对较低意味着基因驱动需要很多代才能在整个啮齿类动物群体中传播，这就为物种进化出抵抗性留下足够的时间[5]。

Thomas将这些研究结果描述为在啮齿类动物中开发基因驱动的研究工作的一次“现实检验（reality check）”。他说，“这表明还需要走多远。”托马斯补充道，未来的研究工作应该寻求提高效率，以及理解为何这种技术在雄性小鼠中不起作用。

他是一个被称作遗传生物防治入侵性啮齿类动物（Genetic Biocontrol of Invasive Rodents, GBIRd）的联盟的成员，该联盟希望部署针对大鼠和小鼠的基因驱动。

CRISPR基因驱动并不是GBIRd联盟处理入侵性啮齿类动物的唯一策略。GBIRd联盟成员、美国德克萨斯农工大学遗传学家David Threadgill及其团队正在研究一种天然存在于小鼠体内的被称作t-haplotype的基因驱动。他们计划对这个自私基因进行修饰以便培育出不产生雌性后代的小鼠：携带这个自私基因两个拷贝的雌性小鼠仅产下雄性后代，这潜在地导致种群数量骤减。

作为一个致力于根除入侵害虫的GBIRd联盟合作者，加州圣克鲁斯岛屿保护局（Island Conservation in Santa Cruz, California）局长Heath Packard说，如果要证实基因驱动技术能够有效地控制啮齿类动物，那么岛屿是理想的测试平台。

Packard说，利用啮齿类动物除害剂根除小岛屿上有问题的小鼠和大鼠的风险太大而无法在较大的岛屿上使用[6]，这是因为较大的岛屿具有复杂的生态系统而且大量的人群。可能在岛屿上加以控制的基因驱动仍然是一种值得研究的技术。他说，“我们希望这可能是一种能够恢复岛屿群落的工具，但是我们并不知道它是否会发挥作用。”（生物谷 Bioon.com）

相关新闻：

Controversial CRISPR ‘gene drives’ tested in mammals for the first time

CRISPR Gene Drive Used to Alter Mouse Coat Color

参考资料：

1.Hannah A. Grunwald, Valentino M. Gantz, Gunnar Poplawski et al. Super-Mendelian inheritance mediated by CRISPR/Cas9 in the female mouse germline. bioRxiv, Posted: 07 July 2018, doi:10.1101/362558.

2.Ewen Callaway. Mosquitoes engineered to pass down genes that would wipe out their species. Nature, 07 December 2015, doi:10.1038/nature.2015.18974.

3.Heidi Ledford. CRISPR, the disruptor. Nature, 08 June 2015, doi:10.1038/522020a.

4.Ewen Callaway. ‘Gene drive’ moratorium shot down at UN biodiversity meeting. Nature, 21 December 2016, doi:10.1038/nature.2016.21216.

5.Ewen Callaway. Gene drives thwarted by emergence of resistant organisms. Nature, 31 January 2017, doi:10.1038/542015a.

6.Lava flows, stem-cell crackdown and Ebola returns. Nature 557, 284-285 (2018), doi: 10.1038/d41586-018-05141-w.

2018年7月22日/生物谷BIOON/—在一项新的研究中，来自美国加州大学旧金山分校的研究人员使用一种基于CRISPR的高通量技术快速地绘制人细胞中将近500个基因的功能图谱，其中的许多基因之前从未被详细地研究过。相关研究结果于2018年7月19日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Mapping the Genetic Landscape of Human Cells”。

这项研究产生了大量新的遗传数据，包括鉴定出参与细胞能量产生的新基因，并解释了为何一些胆固醇药物可用于治疗骨质疏松症而相关药物没有这种效果的长期谜团。但是，这些研究人员说，一个最为重要的研究结果就是这项研究展示了一个用于绘制人细胞中基因功能的新框架，而且他们希望这最终扩展到整个人类基因组。

论文共同通信作者、加州大学旧金山分校癌症生物学家Luke Gilbert博士说，“我们对大约1000到2000个至关重要的人类基因的功能有了很好的理解—当之无愧—它们已经得到很好的研究。但是这占人类基因组中的25000个基因的10％不到。在其余的基因中，可能有一半至少被人研究过一点，而对另一半我们几乎一无所知。”

最近在加州大学旧金山分校细胞生物学家Jonathan Weissman（另一名论文共同通信作者）博士的实验室完成博士学位的Max Horlbeck博士补充道，“这并不奇怪，这是因为测试基因功能所需的实验是既昂贵又耗时的，因此你需要优先考虑你认为很可能最为重要的基因。但是，基因组的其他部分隐藏着可能开发出针对多种疾病的全新疗法的秘密。如今，我们有了一种技术，它能够快速而又全面地确定这些未经研究的基因如何适应我们对生物学的更广泛理解。”

在这项新的研究中，Horlbeck及其同事们使用了一种被称作基因相互作用图谱（genetic interaction mapping）的技术，该技术在过去十年中已经得到完善，用于建立对酵母中基因功能的全面理解，但从未成功地大规模地应用于人细胞中。

这种方法涉及系统性地关闭单个细胞中的成对基因并测量细胞如何作出反应，这就让人了解这两个基因之间的关系。在某些情况下，科学家们观察到，关闭一对基因中的任何一个给细胞造成的损害与同时关闭这对基因时的同样多，这提示着这两个基因是同一个功能系统中的一部分。这些数据让人们能够快速地识别未知功能的基因是较大的功能系统的一部分。

相比之下，科学家们还能够鉴定出成对的具有独立功能但协同发挥作用的基因，这时关闭这两个基因给细胞带来的影响要显著大于单独关闭这两个基因中的任何一个时带来的影响。一种靶向这种协同关系—也被称作合成致死性（synthetic lethality）—的策略是寻求靶向前列腺癌等疾病的制药公司的一个主要的优先目标，这是因为这允许这些制药公司设计出强大的组合疗法以便同时靶向多种细胞途径而获得更加显著的效果。

能量代谢、DNA修复和骨质疏松症的遗传关联性

在这项新研究中，Horlbeck及其同事门对之前的实验中揭示的与细胞生长和存活相关的472个基因进行了基因相互作用图谱分析。为此，他们使用了一种被称作CRISPR抑制（CRISPR inhibition, CRISPRi）的工具。CRISPRi是CRISPR基因编辑系统的一个改进版本，能够在不编辑DNA本身的情况下降低基因活性。CRISPRi是Weissman实验室在2013年开发出来用于哺乳动物细胞中的，而且2016年，Weissman实验室利用它破解非编码RNA分子的功能（Science, doi:10.1126/science.aah7111）。

这些研究人员利用CRISPRi系统性地让两种不同白血病细胞系中的成对基因—一种细胞系代表急性淋巴细胞白血病（ALL）和另一种细胞系代表慢性髓性白血病（CML）—灭活，同时测量对细胞生长的影响。由此产生的111628个独特的双基因相互作用图谱允许这些研究人员根据它们彼此之间的关系将472个基因分为不同的基因簇，并为这些基因簇分配功能意义，比如特定的生物通路或在细胞内的位置。

Weissman说，“虽然我们之前建立这种CRISPRi筛选技术的研究工作允许我们能够简单地确定哪些基因在特定环境（比如癌细胞增殖）中起着重要的作用，但是这项研究对此加以扩展，从而让我们想要知道如此重要的每个基因的功能是什么。”

这些研究人员证实他们的新型基因相互作用图谱捕获了被研究的基因之间的80％的已知的功能关系，不过这些新数据揭示出的大多数较强的相互作用都是新发现的—它们并没有在标准的基因功能数据库中加以登入。这些较强的相互作用包括很多成对的已知并未直接地相互作用但是与蛋白复合物的形成或能量产生等细胞过程独立相关的基因。其他新的基因相互作用揭示出参与蛋白合成和DNA修复的基因，其中蛋白合成和DNA修复是在许多疾病中发挥作用的另外的两个关键细胞功能。

调节胆固醇代谢、DNA损伤修复的细胞通路

在其他的研究结果中，这些研究人员吃惊地注意到线粒体能量产生途径在他们研究的两种白血病亚型之间存在着显著差异。Gilbert说，“你曾期待发现这些必需的基因通路是密切相关的 —在皮肤细胞或白血病细胞中都是如此。但是发现两种白血病细胞系之间的差异提示着你可能采用不同的方法在治疗上靶向这些癌症中的能量产生。这对T细胞急性淋巴细胞白血病而言是特别令人兴奋的，这是因为它没有很多很好的靶向药物。”

最后，这些研究人员发现调节胆固醇代谢的细胞通路和调节DNA损伤修复的细胞通路之间存在着一种新的合成致死性关系。具体来说，这些研究人员注意到当他们让一个参与胆固醇产生的被称作FDPS的基因失活时，细胞为了生存而高度依赖于一个被称作HUS1的DNA修复基因。

Horlbeck说，“我们不太理解为何干扰胆固醇合成会让细胞依赖于DNA损伤反应。当研究胆固醇合成途径中仅相隔几步的另一个基因时，我们发现它与DNA修复基因完全没有相互作用，这就更让我们晕头转向了。”

进一步的实验提出了针对这个难题的一个可能的解决方案—它也可能解决一个长期存在的药理学谜团。在产生胆固醇的途径中，FDPS基因负责修饰一种被称作IPP的化学物质。当FDPS受到抑制时，IPP在细胞中堆积而且—这些研究人员认为—这会导致DNA损伤，对细胞而言，它就需要不断对DNA损伤进行修复才能存活下去。

重要的是，FDPS是一类被称作双磷酸盐类药物（bisphosphonate）的抗胆固醇药物的靶标，其中这类药物具有一种增加骨密度的有用的副作用。这使得它们成为骨质疏松症的一种主要的治疗方法之一。在美国，骨质疏松症影响着大约30％的绝经后妇女。抗胆固醇药物影响骨密度的原因一直是不清楚的，而且制药公司已尝试过开发具有与其他的胆固醇药物—比如重磅炸弹药物立普妥（Lipitor）—相类似的治疗效果的药物，但是失败了。

这些新数据给出了一种原因：双膦酸盐，而不是其他的抗胆固醇药物，可能通过破骨细胞（osteoclast）中的IPP堆积来触发DNA损伤。通过减少破骨细胞的数量，这类药物可能有助于恢复骨密度，但是其他的抗胆固醇药物不会做到这一点。

这些研究人员希望尽快地扩大在人细胞中开展的基因图谱实验的规模，重点关注肺癌和前列腺癌等其他疾病，并专注于鉴定出负责药物反应和耐药性的基因。

Gilbert说，“到目前为止，科学领域已产生了许多关于促进人类疾病产生的特定突变的数据，而且我们对人体中哪些细胞表达哪些基因有很好的想法，但是我们从根本上并不了解基因如何在人体细胞中一起发挥作用。通过这种新方法，我们开始了解基因相互作用如何让组织保持健康或促进疾病产生，但是还有很多东西需要了解。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Max A. Horlbeck, Albert Xu, Min Wang et al. Mapping the Genetic Landscape of Human Cells. Cell, Published online: July 19, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.06.010