不可或缺的基因组

对人类细胞生存至关重要的核心基因被确定。

对功能基因组学来说，改变游戏规则的时刻总是反映了用于在整体规模上研究新的表现型的、强大的新试剂或方法的发展和应用。三项独立的研究描述了用系统的、基因组规模的方法来确定生存不可或缺的人类基因，它们合起来组成了必需基因集合。Blomen等人和Wang等人分别报道了一致的、包含约2000个基因的、人类细胞生存不可缺少的基因集合。另外，Hart等人也得到了相似的实验结果。这是我们第一次确实地知道人类细胞分裂所需的、必需基因的核心集合。这项结果开启了研究必需基因的功能、基因的重要性如何依赖于遗传和组织环境、以及必需基因如何演化等问题的大门。

酵母是一种为功能基因组学提供了可靠的实验平台的模式生物。从科学家第一次描述了酵母的核心基因组集合开始，他们就预言将会确定人类细胞必需基因的核心集合。在酵母中，确定必需基因的集合是相对直接的，因为酵母的基因组非常紧凑，并且能够高效地完成基因重组，这使得在其正常染色体环境中的精确的基因缺失成为可能。

酵母的基因缺失能够在二倍体细胞中进行，然后引导二倍体细胞进行减数分裂，产生只含有精确敲删基因的单倍体细胞。如果一种突变的单倍体细胞株在遗传操作之后无法生长，则证明这个突变基因是对细胞分裂非常重要的基因。这种缺失突变在基因组规模的应用揭示了在标准生长环境下对酵母基因组约6000个基因中对其生存至关重要的1000个左右基因。酵母的核心基因编码了驱动如转录、翻译、DNA复制、细胞周期控制和基础代谢等基本细胞功能的蛋白。而且，酵母的必需基因有几个能够反映在细胞生命中重要功能的属性。例如，它们都是保守和进化受限的，高度表达的，编码大量倾向于形成稳定的复合物、有丰富的蛋白-蛋白相互作用的蛋白质。

如今，人类细胞的必需基因的情况能够利用在酵母中建立的概念框架进行研究。Blomen等人考察了两个细胞系中的必需基因：接近单倍体的、慢性粒细胞白血病（chronic myelogenous leukemia, CML）细胞系KBM7以及它的非造血细胞衍生物、所有染色体皆为单倍体的细胞系HAP1。这些单倍体细胞系能够用以基因陷阱插入突变（gene-trap insertional mutagenesis）的方法来确定必需基因。Wang等人也用基因陷阱的方法研究了KBM7细胞，但他们进一步利用基于成簇的、规律间隔的短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR）的基因编辑技术。这种技术能够在二倍体细胞中直接探究必需基因。他们研究了另一种CML细胞系K562，以及两种伯基特淋巴瘤细胞系Raji和Jiyoye。类似的，Hart等人利用CRISPR-Cas9基因编辑技术来探索必需基因，但他们是在一系列多样化的粘连细胞系中完成的，例如结肠癌细胞系、宫颈癌细胞系、病人体内获取的原代胶质母细胞和永生的视网膜上皮细胞。三个研究组都发现人类的必需基因是高度保守的，而且与酵母相似，它们编码了大量参与蛋白-蛋白相互作用的蛋白质。人类细胞必需基因的核心集合还倾向于存在副本、表现出更强的演化限制的特征：它们演化缓慢、涉及极少量的缺失性单核苷酸多态性位点。虽然许多必需基因都涉及基础生物学过程，包括转录、翻译和DNA复制，但一些重要片段的功能仍然不确定。事实上，每项研究都优先处理大量的功能未知、有待探究的基因。

Blomen等人和Wang等人在两个相互联系的单倍体细胞系中确定了一个连续和重合的必需基因集合。这个结果强调了在所有种类的细胞中描述驱动细胞生命的人类细胞必需基因核心集合的潜能。尽管某些基因的重要性已经得到之前的大规模的、以RNA干扰为基础的筛选实验和Hart等人的分析的证明，但其重要性是环境依赖性的，以一种细胞特异性的形式影响细胞的生存能力。事实上，通过对CML或伯基特淋巴瘤细胞二倍体细胞系的筛选实验，Wang等人发现了48个表现出细胞特异性的重要性的基因。这些研究结果强调了以基因组规模的遗传筛选实验揭示细胞分化的生物学原理的潜能，以及确定某种特殊癌细胞的、能被利用作为个性化医疗标靶的弱点的潜能。科学家将会在一系列不同的细胞系中实施大规模遗传筛选，以产生完整的人类细胞必需基因的集合。

这三项研究都得到了类似的结论：人类细胞约20,000基因中，大约10%基因是细胞生存必需的。虽然随着在其它细胞系中基因筛选的进行，这个比例可能会在一定程度上有所变动，但是有一个清晰的结论：在实验培养条件下，大多数人类基因是非必需的。这个发现与大规模筛选各种已经建立一个有可比性的、必需基因与非必需基因的比例的模式生物基因的结果是一致的。它强调了真核生物基因组固有的遗传和环境的损害之间的隔离。许多非必需基因都与重要的功能紧密相连，但它们是通过错综复杂的、联系着备用信号通路的生物机制相联系的。

一对非必需基因的主要功能可以通过合成致死的双突变筛选实验被检测到。合成致死的双突变是一种在酵母内发现的遗传相互作用：两个基因任意一个的单独敲除都不会致死、但组合起来会发生合成致死。整体的遗传相互作用筛选已经确定了成千上万的合成致死遗传相互作用，揭示了相关致死（contextual lethality）至少是一种远比单基因干扰（perturbation）导致的致死更为普遍的规则。Blomen等人开始通过筛选一组五个分泌功能中合成致死的、非必需基因组成的集合之间的阴性遗传相互作用，研究人类细胞中合成致死相互作用的程度。他们发现一个特定的非必要基因平均会有20个左右的合成致死双突变相互作用，而且这些相互作用更倾向存在于与之功能相关的基因之间。即使这种相对小规模的、酵母的遗传网络也是保守的，现在，它能够被高效地映射（be mapped）到人类细胞中。Blomen等人描述的遗传网络会大大促进大规模、协作的、绘制人类细胞基因遗传相互作用图的努力。这种努力将使对人类基因组功能的注释成为可能，因为基因相互作用的图谱在功能信息方面非常丰富，并且提供了量化的手段来检测基因功能。

系统地评估一个特定的表现型的基因组中所有基因的能力大大加速了酵母基因的功能分析。酵母缺失突变的集合也打开了化学遗传学领域的大门，使得新的将生物活性物质与它们的细胞标靶联系起来的方法成为可能。基因组范围的突变集合能够在库（pools）中进行分析，也有潜能形突变的阵列，为高容量（high-content）筛选方法提供了新的资源，来寻找细胞的生物学表型。Blomen等人、Wang等人和Hart等人的研究揭示了人类细胞的核心必需基因集合，为下一波将要袭来的直接发生在人类细胞中的遗传学和化学遗传学浪潮构建了一个舞台。该领域未来的挑战将会在于发展遗传学工具，例如为了探究最终表型的、与各种必需基因的干扰（perturbation）相关的致死背后的各种分子机制所需的、必要基因的条件等位基因。（基因宝jiyinbao.com）