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新方法创建大型单基因敲除人类单倍体细胞库

日前,奥地利研究人员利用一种称之为“基因捕获”(gene trap)的技术构建出了一个人类单倍体细胞库,该细胞库中包括有 3000 多种细胞系,每个细胞系都具有一种不同的突变基因。相关研究论文刊登在了近期出版的《自然-方法》(Nature Methods)杂志上。

利用这些单倍体细胞系可以大大帮助推动基因的功能性研究。由于这些细胞系只含有一个完整染色体组,因此等位基因上的突变效应不会被另一条染色体所掩盖。 相比于其他的技术,完全基因敲除(complete knockout)可以获得更强大的表型。

在这项研究中,科学家针对称作为 KBM7 的人类细胞系展开了研究工作。 KBM7 来源于一名慢性粒细胞白血病患者,将 8 号染色体排除之外 KBM7 算是一种单倍体细胞系。尽管这些细胞是单倍体,它们仍然能够执行基本功能维持活力。

研究人员表示,一些人认为单倍体细胞是自然细胞类型的畸形物,但实际上在细胞水平上单倍体与生命体极其的相容。为了构建出每种突变,研究人员用偏好于整合到活性转录的基因中的反转录病毒来感染细胞。结果基因几乎完全被沉默,就像进行了基因敲除。

每个突变株都包含一个 GFP 标记和一个独特的遗传条形码,由此可以识别克隆混合物。这些克隆另一个特征是它们的突变可以逆转。在“基因陷阱”载体的两侧是 loxP 序列。向这些细胞中加入 Cre 重组酶,针对 loxP 进行切除,研究人员可以除去这一基因捕获,恢复正常的蛋白质生成。

为了验证他们的细胞库,科学家们确定了他们构建出来的一些克隆的特征。例如,一个 JAK2 基因捕获的克隆,显示 STAT1 磷酸化降低。研究人员表示,尽管是在意料之中,这是第一次利用完全失活的 JAK2 基因在人类细胞中证实这一点。

研究人员指出,理论上讲,这样的一个完全覆盖所有表达基因(包括编码基因和非编码基因)的细胞库,为系统地研究几乎所有的细胞过程,如细胞周期控制、代谢、耐药或药物敏感等所需的基因功能及作用提供了一个极好的平台。到目前为止,该研究小组已经构建出了几千个突变体,可通过与 Haplogen 和 CeMM 合作进行购买。

临床研究人员将会尤其对这些克隆感兴趣。细胞生物学或许能够生成自己的突变细胞系,但缺少实验室条件、想要检测患者突变的临床医生现在可以索取克隆并进行检测,以确定他们看到的是真正的因果关系,还是只相关却无功能性意义。

但这些克隆也存在一些局限。尤其是, KBM7 细胞并不表达所有的基因。将这种方法扩展到不同器官的单倍体细胞,尤其是单倍体胚胎干细胞,将大大提高有用性。研究小组还在技术扩大这一细胞库,由于载体的插入是随机的,生成新的突变将会越来越难。将基因捕获技术与转录激活因子样效应物(transcription activator-like effectors ,TALE)和RNA 引导性核酸酶( RNA-guided nucleases,RGNs)等其他技术相结合,有可能帮助研究人员扩展这一细胞库。

原文检索:

Tilmann Bürckstümmer, Carina Banning, Philipp Hainzl, Richard Schobesberger, Claudia Kerzendorfer, Florian M Pauler, Doris Chen, Nicole Them, Fiorella Schischlik, Manuele Rebsamen, Michal Smida, Ferran Fece de la Cruz, Ana Lapao, Melissa Liszt, Benjamin Eizinger, Philipp M Guenzl, Vincent A Blomen, Tomasz Konopka, Bianca Gapp, Katja Parapatics, Barbara Maier, Johannes Stöckl, Wolfgang Fischl, Sejla Salic, M Rita Taba Casari, Sylvia Knapp, Keiryn L Bennett, Christoph Bock, Jacques Colinge, Robert Kralovics, Gustav Ammerer, Georg Casari, Thijn R Brummelkamp, Giulio Superti-Furga&Sebastian M B Nijman. A reversible gene trap collection empowers haploid genetics in human cells. Nature Methods, 25 August 2013; doi:10.1038/nmeth.2609

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