英格兰：科学家们成功构建了迄今为止最为复杂的人类细胞系，表明我们的基因组对显著的结构改变具有比先前认为更高的耐受性。
研究人员来自英国惠康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）、伦敦帝国理工学院（Imperial College London）和美国哈佛大学（Harvard University）及其合作者使用CRISPR素编辑技术，在细胞系中创建了多个版本的人类基因组，每个版本都带有不同的结构变化。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，只要基本基因保持完好，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非常显著，有时会影响数百到数千个核苷酸——DNA和RNA的基本构成单元。结构变异与发育疾病和癌症有关。然而，由于无法在哺乳动物基因组中工程化这些遗传变化，我们对结构变异效应的研究一直很困难。
为了克服这一挑战，桑格研究所的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，研究团队结合使用CRISPR素编辑技术和人类细胞系，在单次实验中生成了数千个人类基因组的结构变异。
为此，研究人员使用素编辑技术向人类细胞系的基因组中插入了一个识别序列，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手柄，研究人员能够在每个细胞系中整合多达近1,700个重组酶识别位点。这导致每个细胞中出现了超过100个随机的大规模基因结构变化。这是首次可以在如此大规模上“洗牌”哺乳动物基因组。
然后，研究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，团队能够每隔几周拍摄一次人类细胞及其“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，当结构变异删除了基本基因时，这种变化会受到强烈的选择压力，细胞会死亡。然而，他们发现，那些避免删除基本基因的大规模基因删除的细胞群仍然存活。
研究团队还对人类细胞系进行了RNA测序，以测量基因活动，即基因表达。结果表明，大规模的基因代码删除，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，人类基因组对结构变异极其耐受，包括改变数百个基因位置的变异，只要基本基因未被删除。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，以在更多细胞系中引入额外的删除。
华盛顿大学的研究人员也有类似的目标，即大规模创建结构变异并研究其对人类基因组的影响。该团队使用了一种不同的方法，向转座子——移动遗传元件——添加重组酶位点，这些转座子随机整合到人类细胞系和小鼠胚胎干细胞的基因组中。
使用他们的方法，他们展示了诱导的结构变异效应可以通过单细胞RNA测序读取。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的分类，确定它们是良性还是具有临床意义。
两项研究均得出相似结论，即人类基因组对某些重大结构变化表现出惊人的耐受性，尽管这种耐受性的全部程度仍有待未来研究进一步探索。
总体而言，这项研究呈现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大规模创建人类基因组的结构变异，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，最终可能导致对个体有害结构变异的预测。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型、优化细胞系，例如优化生长、研究药物抗性或生物工程制造药物。
惠康桑格研究所前博士后研究员、现任职于华盛顿大学的乔纳斯·科佩尔（Jonas Koeppel）博士说：“如果将基因组比作一本书，那么单个核苷酸变异就像是一个拼写错误，而结构变异就像是撕掉整页。这些结构变异已知在发育疾病和癌症中起作用，但实验研究一直很困难。通过创造性及合作性思维，我们在人类细胞中实现了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，可以承受显著的结构变化。这些工具将帮助未来的研究集中在结构变异及其在疾病中的作用。”
哈佛医学院教会实验室（Church Lab）的博士后研究员拉斐尔·费雷拉（Raphael Ferreira）博士说：“我们的研究只有在正确的条件和技术下才得以实现：基因组测序规模、尖端的基因组工程技术以及重组酶的应用。而且，重要的是，全球范围内开放和协作的科学环境。我们的团队独立提出了类似的想法，并共同完成了这些开创性研究。”
帝国理工学院生物工程系教授、惠康桑格研究所副教员汤姆·埃利斯（Tom Ellis）教授说：“十年前，人们认为要花费数十年的工作和数亿美元才能构建一个可重新排列的人类基因组，供科学家研究基因组结构，但这项工作展示了如何立即实现这一目标。从可重新排列的基因组中学习新生物学令人兴奋，我们不知道这将走向何方。”
惠康桑格研究所的共同首席作者莱奥波尔德·帕茨（Leopold Parts）博士说：“这些研究代表了在并行创建和评估人类基因组结构变异方面的重大突破。一次性创建单一变异的工具已经存在了几十年，但我们证明了大规模随机化人类基因组和研究变异是可行的。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遇。”
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