癌症或神经退行性疾病等疾病已知源于基因失常。但治疗此类复杂疾病并非简单地识别涉及的故障基因即可。由于数百种跨越不同通路的基因突变同时存在，将众多突变与特定结果之间的关系联系起来已被证明极其困难。
现在，《自然》杂志上的一项新研究描述了一种新的前进方向。研究人员开发了一个名为PerturbFate的平台，可以系统地绘制不同疾病相关基因变异如何重塑细胞以及这些路径在哪里交汇。通过随时间跟踪单细胞中的基因调控，研究团队因此识别出许多不同变异共有的调控节点。以黑色素瘤药物耐药性作为概念验证，他们随后表明，这些共享的控制点提供了一条途径，可以针对疾病的各种遗传原因开发组合疗法。
"我们这里关注的是癌症药物耐药性，但这篇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靶向治疗它？"单细胞基因组学与群体动力学实验室负责人曹俊跃表示，"我们想知道，所有这些不同的基因是否可能通过我们可以发现并靶向的某些共享下游信号传导来介导。"
新的瓶颈
基因组测序和基因筛查技术的进步已彻底改变了生物医学，使研究人员能够识别出与疾病相关的数百种基因突变。但这一进展也制造了一个新的瓶颈。致病基因往往跨越不同的通路，从基因调控到细胞信号传导，使它们难以作为一组靶向治疗。结果是，即使我们对疾病的了解在扩大，我们治疗它的能力却滞后。
曹俊跃想知道，这些看似不相关的突变是否真的像它们表现的那样独立。如果这些突变反而汇聚到最终决定细胞行为的共享下游程序上，挑战将不是单独靶向每个突变，而是识别称为调控节点的共同控制点。"我们希望开发一种技术，将这些共享的调控节点本身作为靶点来识别，"曹俊跃表示。
这种技术需要一次性比较许多不同的基因干扰，并详细跟踪每种干扰如何改变细胞。现有方法只能捕捉到部分情况，通常一次只测量一个分子层，或者错过了基因活动的实时动态。因此，曹俊跃实验室的研究生徐子涵开发了PerturbFate平台。该平台允许研究人员通过跟踪DNA的哪些部分可及以及RNA如何产生和处理，实时观察不同的基因变化如何重塑细胞。通过在同一单细胞中捕捉这些变化，该系统揭示了控制细胞行为的基因网络，并显示非常不同的基因变异最终如何产生相同的效果。
"这项技术让我们能够并行扰动数百到数千个基因，然后测量每个单个细胞中的详细分子变化，"曹俊跃表示，"这使我们能够将许多不同的基因扰动与其下游效应联系起来，并识别调控节点。"
扰动命运：在癌症及其他领域
为了测试该平台，研究人员专注于黑色素瘤药物耐药性，这是一种许多不同突变导致相同结果的情况。使用PerturbFate，他们选择了143个与常见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关闭它们。然后PerturbFate跟踪每个干扰如何重塑细胞。通过标记新产生的RNA，研究团队能够区分实时基因活动和旧信号，而单细胞分析捕获了哪些基因是活跃的、DNA的哪些区域是可及的，以及这些变化如何随时间展开。这种方法提供了逐细胞的视角，展示了不同突变如何改变基因调控，以及这些路径在哪里交汇。
"我们捕捉的不仅是基因表达，还有RNA动态和染色质状态，"曹俊跃表示，"这对于识别驱动这些疾病状态的上游调控因子至关重要。"
徐子涵开发的配套计算流程随后将这些层次整合在一起，重建了驱动每个细胞随时间响应的基因调控网络。结果将转录因子活性的早期变化与DNA可及性的改变、新RNA的爆发以及最终的稳定基因表达模式联系起来。
在分析了30多万个细胞后，研究人员发现，非常不同的基因扰动都将黑色素瘤细胞推入相同的耐药状态。当研究团队靶向这些共同控制点时，药物耐药性显著下降，这指向了一种有希望的组合疗法策略。
该平台还揭示了一个涉及介导体复合物的重要细微差别，这是一种调控基因活性的细胞机器。研究人员发现，扰乱该复合物的不同部分可以通过完全不同的途径触发药物耐药性。然而，即使是这些不同的路径最终也汇聚在黑色素瘤细胞中的同一个生存信号上，即VEGFC。当研究人员阻断该信号时，耐药细胞就无法再生长。
总的来说，PerturbFate的概念验证表明，复杂的基因多样性并不一定需要复杂的治疗方法。通过PerturbFate，研究人员现在可以在设计药物时专注于共同的调控节点，而不是单独靶向每个突变。
研究团队已将PerturbFate背后的实验和计算工具公开提供，并计划将该方法从培养细胞扩展到活体系统。通过将PerturbFate应用于衰老和阿尔茨海默病等状况——这些都是其实验室的主要研究重点——曹俊跃及其同事希望发现可以指导更有效治疗的共同弱点。
"这只是一个起点，"曹俊跃表示，"既然我们已经在简单模型中证明了这种方法，我们正在努力将其扩展到活体系统，以研究更复杂的疾病。"
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