科学家们完成了有史以来最复杂的人类细胞系工程，揭示了我们的基因组比以前认为的更能适应重大的结构变化。
来自威康桑格研究所、伦敦帝国理工学院、美国哈佛大学的研究人员及其合作者利用CRISPR prime editing技术在细胞系中创建了多个版本的人类基因组，每个版本都有不同的结构变化。通过基因组测序，他们能够分析这些结构变异对细胞存活的遗传影响。
1月30日发表在《科学》杂志上的这项研究表明，只要基本基因保持完整，我们的基因组就可以承受重大的结构变化，包括遗传密码的大量缺失。这项工作为研究和预测结构变异在疾病中的作用打开了大门。
结构变异是生物体基因组结构的变化，如基因序列的缺失、重复和反转。基因组的这些结构变化可能是显著的，有时会影响数百到数千个核苷酸——DNA和RNA的基本组成部分。
结构变异与发育性疾病和癌症有关。然而，由于无法设计这些基因变化，我们研究哺乳动物基因组结构变化的影响以及它们在疾病中所起作用的能力一直很困难。
为了克服这一挑战，研究人员和他们的合作者着手开发创造和研究结构变异的新方法。
在一项新的研究中，该团队将CRISPR prime editing和人类细胞系（培养皿中的人类细胞群）结合起来，在一次实验中产生了数千种人类基因组结构变异。
为了做到这一点，研究人员使用了启动prime editing先导编辑技术，将一个识别序列插入到人类细胞系的基因组中，以重组酶作为目标——重组酶使研究小组能够“洗牌”基因组。通过将这些重组酶手柄插入到重复序列中，这些重复序列是基因组中成百上千个相同的序列，用一个prime editor，他们能够将多达1700个重组酶识别位点整合到每个细胞系中。这导致每个细胞发生100多个随机的大规模遗传结构变化。这是第一次有可能对哺乳动物基因组进行“洗牌”，尤其是在这种规模下。
研究小组随后研究了结构变化对人类细胞系的影响。通过基因组测序，研究小组能够在几周内拍摄人类细胞及其“重组”基因组的“快照”，观察哪些细胞存活了下来，哪些死亡了。
正如预期的那样，他们发现，当结构变异删除必要基因时，这些基因被大量选择，细胞死亡。然而，他们发现，基因组中有大规模缺失的细胞群，避免了必要的基因，存活了下来。
该团队还对人类细胞系进行了RNA测序，以测量基因活性，即基因表达。这表明，遗传密码的大规模缺失，特别是在非编码区域，似乎并不影响细胞其余部分的基因表达。
研究人员认为，人类基因组对结构变异具有极强的容忍度，包括改变数百个基因位置的变异，只要必要的基因没有被删除。此外，他们还质疑人类基因组中的非编码DNA是否可有可无，但还需要进一步的研究，在更多的细胞系中设计更多的缺失。
在今天发表在《科学》杂志上的一篇相关论文中，华盛顿大学的研究人员也有类似的目标，即大规模创造结构变异并研究它们对人类基因组的影响。这个研究小组采用了一种不同的方法，将重组酶位点添加到转座子（可移动的遗传元件）上，这些转座子随机整合在人类细胞系和小鼠胚胎干细胞的基因组中。
利用他们的方法，他们证明了诱导结构变异的影响可以通过单细胞RNA测序来读取。这一进展为结构变异影响的大筛选铺平了道路，有可能改善人类基因组中发现的结构变异的分类，使其具有良性或临床意义。两项研究都得出了类似的结论，即人类基因组对一些实质性的结构变化具有惊人的耐受性，尽管这种耐受性的全面程度仍有待于这些技术在未来的研究中探索。
总的来说，这项研究提出了迄今为止最工程化的人类细胞系。有史以来第一次，研究人员能够在单个实验中大规模地创建人类基因组的结构变体，并分析我们基因组的许多随机版本。
这项工作将增加我们对结构变异在疾病中的作用的理解，这可能最终导致对个体结构变异的破坏性做出预测。这项研究还有助于缩小基因组的范围，以探索导致疾病的结构变异，特别是如果非编码DNA可以被忽略的话。
此外，有了这个新工具，科学家们可以产生具有进化特性的新型流线型细胞系，例如优化生长，研究耐药性，或通过生物工程来制造药物。
Jonas Koeppel博士说：“如果基因组是一本书，你可以把单个核苷酸变异想象成一个错别字，而结构变异就像撕掉一整页。众所周知，这些结构变异在发育性疾病和癌症中发挥作用，但很难通过实验对它们进行研究。通过创造性和协作性思维，我们已经能够在人类细胞中进行复杂的工程，这是以前没有人做过的。通过大规模重组人类细胞系的基因组，我们已经证明，我们的基因组足够灵活，可以承受重大的结构变化。这些工具将有助于将未来的研究重点放在结构变异及其在疾病中的作用上。”
Raphael Ferreira博士是第一作者之一，也是哈佛医学院Church实验室的博士后研究员，他说：“我们的研究之所以成为可能，是因为正确的成分组合在正确的时间出现了：基因组测序的规模、尖端的基因组工程和重组酶的使用。更重要的是，我们的科学跨越全球边界的开放性和合作性。我们的团队各自都有类似的想法，并聚集在一起，使这些开创性的研究成为现实。”
“十年前，人们认为需要几十年的工作和数亿美元才能设计出一个可重新排列的人类基因组，科学家可以用它来研究基因组结构，但这项工作显示了一种现在就可以实现的方法。想想我们可以从可重新排列的基因组中学到什么新的生物学知识，以及它下一步的发展方向，这是令人兴奋的。”Tom Ellis说。
