癌症研究空间基因组学的美好新世界

吨今年是2540年，人们变得不育。人类胚胎在工厂中生长，在那里它们被操纵和调节以形成预定的条件和肤色。小时候阅读奥尔德斯·赫胥黎(AldousHuxley)的《美丽新世界》和类似的反乌托邦小说激发了年轻的布赖恩·布朗(BrianBrown)对基因组操作工具的可能性和注意事项的兴趣，他现在是西奈山伊坎医学院基因组学研究所所长。“虚构作家采用的思维方式对科学家也很重要：人类知识和技术的局限是什么，我们如何才能开发出超越这些局限的东西?”布朗说。

超越这些限制是布朗职业生涯的原动力;遗传学家设计了改进基因编辑、测序和基因治疗方法的技术。Perturb-map是Brown在Cell中描述的最新发明，为癌症研究人员的实验带添加了另一种工具。1借助这项结合了成像和基因编辑的技术，科学家们可以在体内模拟肿瘤异质性，并研究其对与癌细胞相互作用的细胞类型(例如免疫细胞或间质细胞)的影响。因此，Perturb-map有望揭示癌症生物学的重要方面，包括癌细胞进化和患者对治疗的反应。

CRISPR技术的出现彻底改变了科学家快速修改大型基因组和研究细胞功能后果的能力。汇集的CRISPR屏幕，科学家们使用CRISPR诱导载体库来操纵组织的各种细胞中的不同基因，帮助识别在各种癌症相关过程中具有重要功能的无数基因，包括免疫细胞激活和癌症信号通路.2个

虽然汇集的CRISPR筛选功能强大，但Brown认为该技术存在一些局限性。为了识别CRISPR诱导的操作并将它们与细胞行为的变化联系起来，科学家必须分离组织并与其他单细胞表型分析技术(例如流式细胞术)一起进行单细胞测序。这种物理操作阻止了科学家研究延伸到细胞膜之外的基因功能。“不仅你找不到具有明显细胞外功能的基因，如细胞因子，而且你也找不到与细胞外功能相关的基因的下游功能，”布朗说。

为了克服这一局限性，Brown和他的团队开发了Perturb-map——一种保留组织空间信息的CRISPR筛选方法，以便科学家们可以研究操作对编辑细胞及其邻近细胞的影响。科学家们创建了一个系统，通过报告基因表达来直观地识别单个CRISPR编辑的细胞。通过这种方式，科学家可以将多重免疫组织化学与空间转录组学等其他表型分析技术相结合，以识别和分析其天然环境中的突变细胞。1,3“该技术允许您研究同一只小鼠体内的不同突变克隆。它在一个非常多变的系统中得到了很好的内部控制，”哥伦比亚大学助理教授本杰明伊扎尔说，他没有参与这项研究。

为了展示该技术的潜力，Brown的研究小组在小鼠身上进行了空间功能基因组学筛选，敲除单个肺癌细胞中35种不同基因中的任何一种，以产生一小部分突变克隆。研究人员分析了每个目标基因的200多个突变克隆，分析了每个扰动对细胞功能、免疫细胞浸润等的影响，以揭示相应基因的细胞内和细胞外功能。

当研究小组分析各种突变克隆中的免疫细胞浸润时，他们对相邻细胞之间的差异感到震惊。“这些细胞具有相同的抗原，而且它们是并排的。然而，T细胞正在穿透[一个突变体克隆]，但它们不能迁移到[相邻的突变体]病变中，这代表了潜在的耐药性，”布朗说。这些发现表明Perturb-map具有揭示患者对免疫疗法反应的遗传决定因素的潜力，这是Brown接下来要探索的一个勇敢的新世界。