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顶级学术刊物《nature》双重磅:“癌细胞死亡基因”名单公布

 

近日,顶级学术刊物《nature》非常罕见的几乎是在同时刊载了来自英国的WellcomeSanger Institute研究所以及来自美国的Dana-Farber癌症研究所的科学家团队的两项研究成果,都是关于利用CRISPR–Cas9基因剪辑技术来筛选和验证癌症相关靶基因。这两项研究的发布,将为癌症的药物研发和治疗又迎来重要进展。

 

由Mathew J. Garnett和Kosuke Yusa领衔的Wellcome Sanger Institute团队[1],在人类19国不同组织、30种癌症来源的324个癌细胞株中,利用具有“基因魔剪”美称的CRISPR-Cas9基因编辑技术进进行了一次基因组规模的靶基因筛选,以识别肿瘤治疗的潜在靶基因,并基于自己开发的一套评价模型,对这些基因进行了优先等级的排序。这是科学家首次从基因组规模的水平上,以数据驱动分析的方式,来筛选有效的抗癌靶点。

 

在该项目中, 科学家利用CRISPR-Cas9技术一共敲除了18009个基因,发现其中628个基因是非常有潜力的抗癌靶点。这其中包括92个泛癌种(pan-cancer)基因和617个具有癌种特异性的基因,并且从药物研发的角度,将这628个基因进行了评分并进行了排序,分为三类:第一类主要包括了40个已经被研发成了药物靶点和正在进行临床和临床前试验的基因;第二类包括了277个基因,这些基因还没有开始药物研发,但是已有基础研究证据显示其极具研发价值和潜力;第三类包括311个新发现的可能有研发价值潜力的基因(见插图1b)。所有628个基因中,有120个基因被发现与至少一种癌症生物标志(例如微卫星不稳定性,MSI)相关,因此被认为具有更高的药物研发价值(见插图1c),而这些基因又按照证据等级强弱被分为A、B、C三个等级。至此,该研究相当于为科学家和制药企业提供了一份“癌细胞死亡基因名单”。

 

 

当然,研究人员为了检验研究成果的可靠性,从上述第二类基因中挑选出一个名为WRN基因和对应的标志物MSI,在细胞水平以及小鼠模型中进行了验证,结果表明在存在微卫星不稳定性(MSI)的结直肠癌、卵巢癌、胃癌等肿瘤细胞中,敲除WRN的表达确实能抑制肿瘤细胞的增殖和肿瘤的生长。

 

另一项来自Dana-Farber癌症研究所的科学家团队[2],从微卫星不稳定性(MSI)这个标志物出发,希望能从癌细胞的基因组中找到与MSI有合成致死效果的新靶点。他们利用两个现成的癌症基因组研究数据库,一个叫DepMap的CRISPR-Cas9基因敲除数据库;另一个叫Project DRIVE的RNA沉默数据库来进行数据发掘分析。通过大量的数据比对分析,他们发现73%存在MSI的癌细胞株系的生存依赖于WRN蛋白的表达,而在没有MSI的癌细胞系中,即使敲除WRN也不影响癌细胞的生长,这与Wellcome Sanger Institute团队的研究结论不谋而合:WRN是一个极具潜力的抗癌好靶点。

 

图1:抗癌优先基因优先等级分类
图片来源:Fiona M. Behan, Francesco Iorio, et al. Prioritization of cancer therapeutic targets using CRISPR–Cas9 scr
eens[J]. Nature, 2019.  DOI:10.1038/s41586-019-1103-9.

 

当然,研究人员为了检验研究成果的可靠性,从上述第二类基因中挑选出一个名为WRN基因和对应的标志物MSI,在细胞水平以及小鼠模型中进行了验证,结果表明在存在微卫星不稳定性(MSI)的结直肠癌、卵巢癌、胃癌等肿瘤细胞中,敲除WRN的表达确实能抑制肿瘤细胞的增殖和肿瘤的生长。

 

 

另一项来自Dana-Farber癌症研究所的科学家团队[2],从微卫星不稳定性(MSI)这个标志物出发,希望能从癌细胞的基因组中找到与MSI有合成致死效果的新靶点。他们利用两个现成的癌症基因组研究数据库,一个叫DepMap的CRISPR-Cas9基因敲除数据库;另一个叫Project DRIVE的RNA沉默数据库来进行数据发掘分析。通过大量的数据比对分析,他们发现73%存在MSI的癌细胞株系的生存依赖于WRN蛋白的表达,而在没有MSI的癌细胞系中,即使敲除WRN也不影响癌细胞的生长,这与Wellcome Sanger Institute团队的研究结论不谋而合:WRN是一个极具潜力的抗癌好靶点。

 

 

最后科普一下什么是微卫星不稳定性MSI

 

微卫星(MS),又称简单重复序列,是基因组中一些短而重复的DNA序列,一般由1-6个核苷酸组成,呈串联重复排列,常见类型为双碱基CA/GA或单碱基A/T等,存在于内含子等非编码区。错配修复是维持细胞基因组稳定的重要机制,如果错配修复相关基因发生突变,DNA在复制过程中发生的错误就没有办法及时修复,会造成DNA复制时插入或缺失突变引起MS序列长度改变,发生微卫星不稳定性(MSI)。MSI是肿瘤细胞最重要的生物标志特征之一,临床上经常对结直肠癌、子宫内膜癌等患者的癌组织进行MSI检测并评估MSI水平,用于治疗指导和作为癌症患者预后评估的依据。目前临床上有针对携带MSI的癌症患者的药物PD-1抗体,但是仍然只有一小部分患者能从中获益,大部分有MSI的患者对PD-1抗体不响应。这次WRN靶点的出现,让部分对PD-1抗体不敏感的患者有了新的希望。

参考文献:

[1].Fiona M. Behan, Francesco Iorio, et al. Prioritization of cancer therapeutic targets using CRISPR–Cas9 screens[J]. Nature, 2019.  DOI:10.1038/s41586-019-1103-9.

 

[2].Edmond M. Chan, Tsukasa Shibue, James M. McFarland, et al. WRN helicase is a synthetic lethal target in microsatellite unstable cancers[J]. Nature, 2019.  DOI:10.1038/s41586-019-1102-x.