基因编辑技术可以加速癌症突变的研究

癌症患者的基因组研究揭示了数千种与肿瘤发展相关的突变。然而，对于绝大多数这些突变，研究人员不确定它们如何导致癌症，因为没有简单的方法可以在动物模型中研究它们。

在一项可以帮助科学家对一长串未探索的突变有所作为的进展中，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法，可以轻松地将特定的癌症相关突变设计到小鼠模型中。

使用这种基于CRISPR基因组编辑技术的技术，研究人员在不同器官中创建了致癌基因Kras的几种不同突变的模型。他们认为，这种技术也可以用于几乎任何已发现的其他类型的癌症突变。

这些模型可以帮助研究人员识别和测试针对这些突变的新药。

“这是一个非常强大的工具，用于检查完整动物中任何感兴趣的突变的影响，并且所需时间仅为早期方法所需时间的一小部分，”David H. Koch生物学教授Tyler Jacks说，他是麻省理工学院科赫综合癌症研究所的成员，也是这项新研究的资深作者之一。

麻省理工学院生物学助理教授、科赫研究所成员弗朗西斯科·桑切斯-里维拉(Francisco Sánchez-Rivera)和哈佛大学化学与化学生物学系教授、布罗德研究所核心研究所成员大卫·刘(David Liu)也是该研究的高级作者，该研究今天发表在《自然生物技术》上。

Zack Ely Ph.D. ' 22，前麻省理工学院研究生，现在是麻省理工学院的访问科学家，麻省理工学院研究生Nicolas Mathey-Andrews是该论文的主要作者。

更快的编辑

在小鼠模型中测试抗癌药物是确定它们是否足够安全和有效以进行人体临床试验的重要步骤。在过去的20年里，研究人员利用基因工程通过删除肿瘤抑制基因或激活促癌基因来创建小鼠模型。然而，这种方法是劳动密集型的，需要几个月甚至几年的时间才能产生和分析具有单个癌症相关突变的小鼠。

“一个研究生可以围绕建立一个突变模型来建立一个完整的博士学位，”Ely说。“使用传统模型，该领域需要几十年才能赶上我们通过癌症基因组图谱发现的所有突变。

在2010年代中期，研究人员开始探索使用CRISPR基因组编辑系统更容易使癌变突变的可能性。其中一些工作发生在杰克斯的实验室，Sánchez-Rivera(当时是麻省理工学院的研究生)和他的同事表明，他们可以使用CRISPR快速轻松地敲除肿瘤中经常丢失的基因。然而，虽然这种方法很容易敲除基因，但它不适合将新的突变插入基因中，因为它依赖于细胞的DNA修复机制，这往往会引入错误。

受到布罗德研究所刘实验室研究的启发，麻省理工学院的研究小组希望想出一种方法来进行更精确的基因编辑，使他们能够对癌基因(驱动癌症的基因)或肿瘤抑制因子进行非常有针对性的突变。

2019年，刘及其同事报告了新版本的CRISPR基因组编辑，称为主要编辑。与CRISPR的原始版本不同，CRISPR使用一种称为Cas9的酶在DNA中产生双链断裂，而素数编辑使用一种称为Cas9切口酶的修饰酶，该酶与另一种称为逆转录酶的酶融合。这种融合酶只切割DNA螺旋的一链，避免了引入双链DNA断裂，这可能导致细胞修复DNA时的错误。

麻省理工学院的研究人员通过将原定酶的基因工程到小鼠的种系细胞中来设计他们的新小鼠模型，这意味着它将存在于生物体的每个细胞中。编码的原编辑器酶允许细胞将RNA序列复制到并入基因组的DNA中。然而，主要编辑器基因保持沉默，直到被一种称为Cre重组酶的特定蛋白质激活。

由于主要编辑系统安装在小鼠基因组中，研究人员可以通过将Cre重组酶注射到他们想要表达癌症突变的组织中来启动肿瘤生长，以及指导Cas9切口酶在细胞基因组中进行特定编辑的引导RNA。RNA指南可以设计为诱导特定基因中的单个DNA碱基替换，缺失或添加，允许研究人员创建他们想要的任何癌症突变。

突变建模

为了证明这种技术的潜力，研究人员将几种不同的突变设计成Kras基因，该基因驱动了大约30%的人类癌症，包括几乎所有的胰腺腺癌。然而，并非所有的Kras突变都是相同的。许多Kras突变发生在称为G12的位置，在那里发现了氨基酸甘氨酸，并且根据突变，这种甘氨酸可以转化为几种不同的氨基酸之一。

研究人员开发了肺癌中发现的四种不同类型的Kras突变模型：G12C，G12D，G12R和G12A。令他们惊讶的是，他们发现这些模型中产生的肿瘤具有非常不同的特征。例如，G12R突变产生大的侵袭性肺肿瘤，而G12A肿瘤较小且进展较慢。

更多地了解这些突变如何以不同的方式影响肿瘤发展可以帮助研究人员开发针对每种不同突变的药物。目前，只有两种FDA批准的针对Kras突变的药物，它们都是针对G12C突变的，G30C突变约占肺癌中Kras突变的<>%。

研究人员还利用他们的技术在肿瘤抑制基因p53中创建了具有几种不同类型的突变的胰腺类器官，他们现在正在开发这些突变的小鼠模型。他们还致力于生成其他Kras突变的模型，以及其他有助于赋予Kras抑制剂抗性的突变。

“我们感到兴奋的一件事是研究突变的组合，包括驱动肿瘤发生的Kras突变，以及抗性相关的突变，”Mathey-Andrews说。“我们希望这不仅能让我们了解突变是否引起耐药性，还能让我们了解耐药性肿瘤是什么样子的?”

研究人员已经通过杰克逊实验室的一个存储库将具有主要编辑系统设计的小鼠纳入其基因组，他们希望其他实验室将开始使用这种技术进行自己的癌症突变研究。