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Science里程碑!花了15年,科学家“画出”首张细胞基因互作图谱
  发布时间:2016/10/7  点击:547

 

这一首张细胞总体基因互作网络(global genetic interaction network)图谱解释了成千上万的基因如何互相协调,精心安排细胞的生活。多伦多大学的Brenda Andrews教授、Charles Boone教授以及明尼苏达大学双城分校的Chad Myers教授是该研究的共同通讯作者。这一成果为探索基因如何导致疾病开辟了新的途径,有望帮助开发精准的治疗方法。

强大的“替身”

就像整个世界被划分为不同大小的集群一样(大到国家,小到社区),细胞中的基因也是按照分层网络运行的。研究人员认为,如果我们要理解20,000个人类基因是干什么的,必须首先要弄清楚它们彼此是如何连接的。

他们表示,对酵母细胞的研究首次表明,理解基因的作用不仅仅是研究它的个体效应。酵母的6,000个基因中,有许多在人类中可以找得到。酵母细胞相对简单,但却是人类细胞的强大“替身”。

十多年前,一个国际科学家小组首次一个接一个地删除了每一个酵母基因。令他们惊讶的是,研究结果显示,只有五分之一的基因是酵母生存所必须的。直到去年,基因编辑技术的发展才让科学家们能够在人类细胞中解决相同的问题。答案也是相同的:只有一部分基因是人类细胞必须的。

这些结果表明,大多数基因发挥的是一种缓冲(buffered)作用,保护细胞免受突变和环境压力的伤害。为了弄清这种缓冲作用是如何工作的,科学家不得不研究细胞在同时失去1个以上基因时还能否存活。开展这样的研究,他们必须测试数以百万计的基因对(gene pairs)。

首次以“基因对”为单位

发表在Science杂志上的这项新研究做了开创性的工作。研究中,科学家们同时成对删除了酵母细胞中的2个基因。他们试图找到对生存至关重要的基因对。开展这样的工作需要定制的装置和最先进的自动化流水线来分析几乎所有1800万种不同的组合。

这张酵母图谱鉴定出了细胞中“共事”的基因对。如果一个基因功能丧失,基因组中会有另一个基因来填补它的作用。科学家们用自行车做了一个形象的比喻:车轮好比必需基因(essential gene,细胞生存所必需的),没有它,车肯定是不能骑了。但是这些“共事”的基因对就像前后刹车一样。前刹坏了,只要后刹有用,车还是可以骑;但如果两个都坏了,就麻烦了。

目标是人类细胞

越来越多的证明表明,人类基因也有1个或多个功能备份。所以,研究人员相信,我们应该寻找疾病相关的基因对,而不是单个基因。这是一个巨大的挑战,因为这意味着需要研究人类基因组中的约2亿个可能的基因对。

幸运的是,在了解酵母图谱如何绘制的前提下,研究人员能够开始绘制人类细胞的基因互作图谱,甚至可以扩大到不同的细胞类型中。联合全基因组序列和健康参数,找到与人类生理学和疾病相关的基因组合最终应该能实现。

该研究的共同第一作者Michael Costanzo说:“我们已经为如何绘制细胞内的基因互作图谱创建了一份参考指南。”

Boone说:“没有酵母基因网络分析的多年工作,科学家们不会知道基因互作驱动细胞生活的程度,以及如何开始绘制人体细胞总体的基因网络。我们已经在一个模型系统中测试了该方法,希望为如何解决人类细胞中的这一问题提供原理论证。”

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