英国（ANI），2月1日：科学家们成功创建了迄今为止最为复杂的工程化人类细胞系，表明我们的基因组比之前认为的更能容忍重大结构性改变。
来自英国Wellcome Sanger研究所、伦敦帝国理工学院以及美国哈佛大学的研究人员及其合作者使用CRISPR质粒编辑技术，创建了多个版本的人类基因组细胞系，每个版本都具有不同的结构变化。通过基因组测序，他们能够分析这些结构变异对细胞生存的遗传影响。
研究表明，只要关键基因保持完好，我们的基因组可以承受显著的结构变化，包括大范围的基因编码删除。这项工作为研究和预测结构变异在疾病中的作用打开了大门。
结构变异是指生物体基因组结构的变化，如基因序列的删除、重复和倒位。这些基因组结构变化可能相当显著，有时会影响数百到数千个核苷酸——DNA和RNA的基本构建块。结构变异与发育疾病和癌症有关。然而，由于难以在哺乳动物基因组中引入这些遗传变化，我们对结构变异的影响研究一直很困难。
为了克服这一挑战，Sanger研究所研究人员及其合作者着手开发新的方法来创建和研究结构变异。
在一项新研究中，团队结合使用CRISPR质粒编辑技术和人类细胞系，在单次实验中生成了数千种人类基因组的结构变异。
研究人员使用质粒编辑技术向人类细胞系的基因组中插入一个识别序列，以针对重组酶——一种使团队能够“洗牌”基因组的酶。通过在重复序列中插入这些重组酶识别位点，他们能够在每个细胞系中整合多达近1,700个重组酶识别位点。
这导致每种细胞中发生了超过100个随机的大规模基因结构变化。这是首次能够“洗牌”哺乳动物基因组，尤其是在如此大的规模上。
然后，团队研究了这些结构变异对人类细胞系的影响。通过基因组测序，团队能够在几周内拍摄人类细胞及其“洗牌”基因组的“快照”，观察哪些细胞存活，哪些死亡。
正如预期的那样，当结构变异删除了关键基因时，这种变化会受到强烈的选择压力，导致细胞死亡。然而，他们发现，那些避免删除关键基因的大规模基因组删除的细胞群体得以存活。
团队还进行了人类细胞系的RNA测序，这是一种测量基因活性的方法，称为基因表达。这揭示了大规模基因编码删除，特别是在非编码区域，似乎不会影响细胞其余部分的基因表达。
研究人员建议，只要不删除关键基因，人类基因组对结构变异具有极高的容忍度，包括改变数百个基因位置的变异。此外，他们质疑人类基因组中大部分非编码DNA是否可有可无，但需要进一步研究在更多细胞系中引入额外删除。
华盛顿大学的研究人员也有类似的创建大规模结构变异并研究其对人类基因组影响的目标。该团队使用了一种不同的方法，即在转座子——移动遗传元件——中添加重组酶位点，这些位点随机整合到人类细胞系和小鼠胚胎干细胞的基因组中。
使用这种方法，他们证明了可以通过单细胞RNA测序读取诱导结构变异的影响。这一进展为大规模筛选结构变异的影响铺平了道路，有可能改善对人类基因组中发现的结构变异进行良性或临床显著性的分类。
两项研究得出了相似的结论，即人类基因组对某些重大结构变化表现出惊人的容忍度，尽管这种容忍度的全部范围仍有待未来研究进一步探索。
总的来说，这项研究展示了迄今为止最复杂的人类细胞系。研究人员首次能够在单次实验中创建大规模的人类基因组结构变异，并分析许多随机版本的基因组。
这项工作将增加我们对结构变异在疾病中作用的理解，最终可能会帮助预测个体中结构变异的危害程度。这项研究还有助于缩小探索导致疾病的结构变异的基因组范围，特别是如果非编码DNA可以被排除在外。
此外，借助这一新工具，科学家可以生成具有进化特性的新简化细胞系，例如优化生长、研究药物耐受性或生物工程制造药物。
Jonas Koeppel博士，共同第一作者，曾在Wellcome Sanger研究所工作，现任职于华盛顿大学，表示：“如果把基因组比作一本书，那么单核苷酸变异就像是拼写错误，而结构变异就像是撕掉一整页。这些结构变异已知在发育疾病和癌症中起作用，但很难进行实验研究。通过创造性思维和协作，我们能够在人类细胞中进行前所未有的复杂工程。通过大规模洗牌人类细胞系的基因组，我们证明了我们的基因组足够灵活，可以忍受重大的结构变化。这些工具将有助于未来对结构变异及其在疾病中作用的研究。”
Raphael Ferreira博士，共同第一作者，哈佛医学院Church实验室的博士后研究员表示：“我们的研究之所以成为可能，是因为恰逢其时的几个因素：基因组测序的规模、前沿的基因组工程技术以及重组酶的应用。重要的是，我们的科学是跨全球边界的开放和合作性质。我们的团队独立提出了类似的想法，并共同实现了这些开创性的研究。”
Tom Ellis教授，研究作者之一，Wellcome Sanger研究所副教授，伦敦帝国理工学院生物工程系教授表示：“十年前，人们认为要花费数十年的工作和数亿美元才能创建一个科学家可以用来研究基因组结构的可重组人类基因组，但这项工作展示了一种实现这一目标的可能性。令人兴奋的是，从可重组基因组中我们可以学到的新生物学知识以及它可能带来的下一步发展。”
Leopold Parts博士，Wellcome Sanger研究所的共同通讯作者表示：“这些研究代表了在平行创建和评估人类基因组结构变异方面的重大突破。虽然过去几十年已经有了单个变异的创建工具，但我们已经证明，现在可以在大规模上创建和随机化人类基因组。这为研究与疾病相关的变异提供了新的切入点，也为生物工程带来了机会。”
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