研究人员创建了一个强大的系统PerturbFate，该系统揭示了多种不同的基因突变如何将细胞导向相同的有害结果。图片来源：Shutterstock
癌症和神经退行性疾病等疾病通常始于基因错误。但即使科学家确定了相关基因，将这些知识转化为有效治疗仍然极其困难。许多这些疾病与分布在不同生物通路中的数百个突变有关，这使得理解它们如何共同驱动疾病变得困难。
发表在《自然》杂志上的一项新研究提出了一种潜在解决方案。研究人员创建了一个名为PerturbFate的平台，该平台可以系统地跟踪疾病相关基因变化如何改变细胞，并识别这些变化最终汇聚的位置。通过观察单细胞中随时间变化的基因调控，研究团队发现了许多不同突变所依赖的共享调控中心。以黑色素瘤药物耐药性作为测试案例，研究人员表明，针对这些常见的控制点可以帮助克服多种遗传原因导致的耐药性。
"我们在这里关注的是癌症药物耐药性，但论文实际上始于一个更广泛的问题：一旦你知道一种疾病与数百个基因相关，你如何设计一种疗法来针对它？"单细胞基因组学和种群动力学实验室负责人曹俊跃说，"我们想知道，所有这些不同的基因是否可能通过一些我们可以发现并针对的共享下游信号来介导。"
基因医学中的日益严峻挑战
基因测序和筛选技术的进步使科学家能够识别大量与疾病相关的突变。然而，这一进展带来了新的重大挑战。参与疾病的基因在细胞内通常执行非常不同的工作，包括控制基因活性和管理细胞信号通路。由于这种复杂性，设计能够同时解决多种突变的治疗方法一直很困难。
曹俊跃怀疑这些看似不相关的突变可能实际上并非独立作用。相反，它们可能会汇入最终决定细胞行为的共享下游程序。如果这是真的，科学家就不需要分别针对每个突变。他们可以专注于控制疾病过程的共同调控节点。
"我们希望开发一种技术，将这些共享的调控节点本身作为目标，"曹说。
为了实现这一目标，研究团队需要一个能够同时比较多种基因干扰并详细监测每个干扰如何重塑细胞的系统。现有技术只能捕捉部分情况，通常一次只测量一层细胞活动，或者遗漏基因活动如何随时间动态变化。
研究生徐子涵开发了PerturbFate以克服这些限制。该平台使研究人员能够通过同时跟踪DNA可及性和RNA产生，实时观察不同基因干扰如何改变细胞。由于这些测量是在同一个单细胞内收集的，该系统可以揭示控制细胞行为的基因网络，并识别不同突变产生相同下游效应的位置。
"这项技术让我们能够并行干扰数百到数千个基因，然后测量每个单个细胞中的详细分子变化，"曹说，"这使我们能够将许多不同的基因干扰与其下游效应联系起来，并识别调控节点。"
追踪黑色素瘤中的药物耐药性
为了测试该平台，研究人员转向黑色素瘤，其中许多不同突变可以产生对治疗的耐药性。研究团队选择了143个先前与黑色素瘤药物维莫非尼耐药性相关的基因，并在黑色素瘤细胞中系统地禁用了它们。
然后PerturbFate监测每个干扰如何随时间改变细胞行为。通过标记新产生的RNA，研究人员能够将新鲜的基因活动与较旧的分子信号分开。单细胞分析还允许他们追踪哪些基因是活跃的，哪些DNA区域变得可及，以及这些变化如何演变。
这种详细的方法使科学家能够逐个细胞地了解不同突变如何影响基因调控以及这些通路最终如何汇聚。
"我们不仅捕捉基因表达，还捕捉RNA动态和染色质状态，"曹说，"这对于识别驱动这些疾病状态的上游调控因子至关重要。"
徐子涵还创建了一个计算分析流程，将所有这些信息层整合到详细的基因调控网络中。该系统将转录因子活性的早期变化与DNA可及性、RNA产生和稳定基因表达模式的后期变化联系起来。
在检查了超过300,000个细胞后，研究人员发现许多不同的突变一致地将黑色素瘤细胞推入相同的耐药状态。当研究团队针对驱动该状态的共享调控控制点时，药物耐药性显著下降，这表明组合疗法是一种有前景的策略。
共享的生存信号
该研究还揭示了一个涉及中介复合体(Mediator Complex)的重要细节，这是一种帮助调控基因活性的细胞结构。研究人员发现，破坏该复合体的不同部分可以通过完全不同的生物途径触发药物耐药性。尽管存在这些差异，但这些通路仍然汇聚在同一个被称为VEGFC的黑色素瘤生存信号上。
当研究人员阻断VEGFC时，耐药黑色素瘤细胞不再能够生长。
这些发现表明，即使是高度复杂的遗传疾病也可能依赖于可以作为治疗靶点的共享弱点。科学家可能不必为每个突变设计单独的治疗方法，而是可以专注于多个突变所依赖的共同调控通路。
超越癌症
研究人员已经将PerturbFate背后的实验室和计算工具公开提供。他们现在计划将这种方法扩展到培养细胞之外，并将其应用于活体系统。
曹和他的同事们希望利用该技术研究衰老和阿尔茨海默病等疾病，这些都是他实验室的主要研究领域。他们的目标是发现跨越复杂疾病的共享弱点，从而指导开发更有效的疗法。
"这只是一个起点，"曹说，"既然我们已经在简单模型中展示了这种方法，我们正在努力将其扩展到活体系统中，以研究更复杂的疾病。"
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