科学家们成功实现了人类细胞系的复杂工程，表明我们的基因组能够承受比之前认为的更大的结构改变。
来自威康桑格研究所、伦敦帝国学院和哈佛大学等机构的研究团队，采用CRISPR原编辑技术在细胞系中开发了多个版本的人类基因组，每个版本展示了不同的结构修改。通过基因组测序，他们评估了这些结构变化如何影响细胞的生存。
这项研究于今天（1月30日）发表在Science上，证明只要重要基因得到保留，我们的基因组就能够承受重大结构改动，包括大量遗传物质的缺失。这项研究为探索和预测结构变异如何导致疾病铺平了道路。
结构变异是指生物体基因组结构的改变，例如遗传序列的缺失、重复和倒置。这些变化可能显著影响大量核苷酸——DNA和RNA的基本组成部分。
这种结构变异与发育障碍和癌症有关。然而，研究哺乳动物基因组中结构变异的后果以及理解它们在疾病中的作用被证明具有挑战性，因为对这些遗传改变的工程化存在困难。
为了解决这个问题，桑格研究所的研究人员和他们的合作伙伴旨在创新创建和检查结构变异的方法。
在这项新研究中，团队结合了CRISPR原编辑1和人类细胞系2——即在实验室中培养的人类细胞群，以在一次实验中生成成千上万个在人类基因组中的结构变异。
研究人员通过利用原编辑在细胞系基因组中引入识别序列实现了这一目标，随后这些序列可以被重组酶3靶向，这是一种促进基因组重组的酶。通过将这些重组酶位点置于重复的DNA序列中，他们能够使用单一的原编辑器为每个细胞系添加近1,700个识别位点。这导致每个细胞出现超过100个随机的大规模遗传结构改变，这标志着哺乳动物基因组首次以如此规模被“打乱”。
随后，研究人员评估了这些结构变异对人类细胞系的影响。通过基因组测序，他们对人类细胞及其“打乱”基因组在几周内的“快照”进行了捕捉，以观察哪些细胞存活，哪些细胞死亡。
有趣的是，他们发现当重要基因被删除时，那些细胞显著处于劣势，通常会死亡。相比之下，那些经历了大规模缺失，且未触及关键基因的细胞群成功存活下来。
此外，团队对人类细胞系进行了RNA测序，以评估基因活动——称为基因表达。这项分析显示，在DNA的非编码区域的大规模缺失对细胞其余部分的基因表达几乎没有影响。
研究人员得出结论，前提是重要基因保持完整，人类基因组对结构变异表现出惊人的宽容性，包括那些改变多个基因位置的变异4。他们还质疑人类基因组中大部分非编码DNA可能是非必要的，但仍需要对不同细胞系中的更多缺失进行进一步研究。
在今天发表在Science上的一项相关研究中，华盛顿大学的另一个团队分享了生成大规模结构变异并分析其对人类基因组影响的相似目标。他们使用了不同的策略：将重组酶位点添加到称为转座子的移动遗传元素上，这些元素随机整合到人类细胞系和小鼠胚胎干细胞的基因组中。
他们的方法表明，这些诱导的结构变异的影响可以使用单细胞RNA测序来评估。这一进展暗示了对结构变异影响进行广泛筛选的潜力，这可能改善我们对人类基因组中结构变异的分类将其划分为无害或临床相关的方式。尽管两项研究对人类基因组的意外韧性在面对重大结构变化达成了类似的结论，但这一韧性的全部程度尚需使用这些新技术进一步调查。
总而言之，这项研究展示了迄今为止人类细胞系的最先进工程。研究人员首次能够在一次实验中大规模产生人类基因组的结构变异，并研究我们基因组的众多随机修改。
这项工作有潜力加深我们对结构变异如何导致疾病的理解，可能使我们能够预测这些变异在个体中的有害性质。研究还集中在缩小与疾病相关的结构变异的基因组区域，尤其是在非编码DNA可以被视为不必要的情况下。
此外，这一创新工具使科学家能够创建具有独特性状的新优化细胞系，例如提高生长速率、增强用于研究药物抗性能力，或用于治疗开发的工程序列。
共同第一作者、曾在威康桑格研究所工作、现今在华盛顿大学的乔纳斯·科佩尔博士表示：“如果我们将基因组想象成一本书，单个核苷酸变异就像是一个拼写错误，而结构变异则类似于撕掉的一页。尽管已知这些结构变异影响发育障碍和癌症，但实验研究一直颇具挑战性。通过创新和合作的努力，我们成功地以复杂的方式工程化了人类细胞，达成了前所未有的成就。在如此大规模上打乱我们的基因组，揭示了我们的基因组结构能够承受重大变化的灵活性。这些工具将促进未来对结构变异及其在疾病中影响的研究。”
共同第一作者、哈佛医学院Church实验室的博士后研究员拉斐尔·费雷拉博士评论道：“我们的研究之所以可行，是因为在正确的时机汇聚了正确的组成部分：广泛的基因组测序能力、先进的基因组工程技术和重组酶的使用。我们国际科学社区的合作性质发挥了重要作用，因为我们的团队独立开发了相似的概念并联合起来，实现了这些突破性的研究。”
研究作者、威康桑格研究所的教授汤姆·埃利斯表示：“十年前，人们认为创建可重组的人类基因组用于科学研究将需要多年时间和数亿资金。这项工作展示了现在实现该目标的路径。考虑到我们可以从这些可重组基因组中获得哪些新的生物学见解，这让我感到非常兴奋，以及这项研究将引领我们走向何方。”
威康桑格研究所的共同首席作者莱奥波德·帕茨博士表示：“这些研究标志着在人类基因组中同时生成和分析结构变异的重要进展。虽然生成单个变异的方法已经存在数十年，但我们展示了现在可以大规模地探究和生成随机化的人类基因组。这为研究与疾病相关的变异开辟了新的途径，并提供了生物工程的机会。”
附注：
- 有关原编辑的详细信息，请访问桑格博客：https://sangerinstitute.blog/2023/07/17/prime-editing-explainer/
- 本研究中使用的人类细胞系为HEK293T，专为基因组工程设计，和HAP1，包含单一的基因组。这种设置使得结构变异造成的细微变化更容易观察。这些细胞不具备发展成器官或组织的能力；它们仅仅是实验室中生长的孤立细胞群，是理解人类基因组的工具。
- 重组酶是促进DNA中特定重组事件的酶。
- 研究人员警告称，这些发现源于在培养的人类细胞中进行的实验，可能并不准确反映活体生物体内的情况。
- Sudarshan Pinglay 等 (2025) ‘在哺乳动物基因组中多重生成和单细胞分析结构变异。’Science. DOI: 10.1126/science.ado5978
