《Science》将正常细胞精准转化为癌细胞总共需要多少步？

该研究团队首次使用CRISPR-Cas9基因编辑技术，在健康的人类黑素细胞中顺序引入黑色素瘤中常见的CDKN2A、BRAF和TERT基因突变。这三种基因突变共同导致细胞表现得像癌细胞一样，并无限期分裂。

　　

在过去的20年里，科学家们已经发现了数千种癌症基因突变，但了解这些基因突变如何影响肿瘤生长和在体内扩散仍然是一个挑战，因为每个患者的肿瘤都可能有许多不同的基因突变。

这导致了癌症患者基因型和表型联系的推断，能够系统地将癌症的基因突变或突变组合与其表型联系起来，将极大地促进我们对癌症发病机制的理解，并有助于开发相应的治疗和药物。

2022年4月29日，Aviv Regev等人。在《科学》杂志上发表了一篇研究论文。

研究团队使用CRISPR-Cas9基因编辑技术，在健康人皮肤黑素细胞中顺序编辑五种与黑色素瘤相关的基因突变或一种组合。

这些经过编辑的细胞生长并增殖成具有黑色素瘤特征的肿瘤，包括快速生长、侵袭能力增强，以及特定的基因激活和色素沉着模式。

因为这项研究可以一次引入一种突变，所以可以确定特定基因突变和突变组合的具体效果。这项研究不仅揭示了黑色素瘤的关键基因突变，还为研究特定基因在癌症中的作用提供了一种新方法。

该研究的主要作者埃兰·霍迪斯（Eran Hodis）是阿维夫·雷格夫（Aviv Regev）实验室的博士生，现在是哈佛大学布里格姆女子医院（Brigham and Women’s Hospital）的住院医师。2020年，阿维夫·雷格夫（Aviv Regev）加入基因泰克公司，担任研究和早期住院发展执行副总裁。

根据Eran Hodis的说法，这项研究是首次使用精确控制的基因工程技术，从完全分化的细胞而不是干细胞创建人类癌症模型。

这种方法将为在许多其他癌症中创建类似模型提供机会，有助于加速研究癌症遗传学与特定疾病特征的关联。

为了设计这些癌症模型，精确的基因编辑技术必须与高分辨率、大规模并行的单细胞基因组学分析相结合，以生成和表征细胞和肿瘤，并通过机器学习来分析数据。

综上所述，这些发现让我们对哪些基因突变及其组合导致细胞癌变有了前所未有的了解。

在研究黑色素瘤时，将其基因型与特定特征或表型联系起来尤其困难。这是因为黑色素瘤作为一种皮肤癌，使皮肤暴露于许多外部因素，如紫外线。

因此，在黑色素瘤患者中有许多由外部因素引起的基因突变，而这些基因突变大多不是黑色素瘤的驱动因素。

通过将基因突变导入健康人黑色素细胞，可以在不受干扰的情况下观察基因突变对黑色素瘤的影响。

研究团队首先使用CRISPR-Cas9基因编辑，顺序引入CDKN2A、BRAF和TERT基因突变，这些基因通常在健康人黑色素细胞的黑色素瘤中发现。这三种基因突变共同导致细胞表现得像癌细胞，并无限期分裂。

接下来，研究团队分别在上述细胞中敲除已知的黑色素瘤相关肿瘤抑制基因PTEN、TP53和APC，生成总共9种不同的细胞模型：

•野生型人类黑素细胞（WT），

•CDKN2A-/-细胞（C），

•CDKN2A-/-+BRAF V600E细胞（CB），

•CDKN2A-/-+BRAF V600E+TERT-124C>T细胞（CBT），

•CDKN2A-/-+BRAF V600E+TERT-124C>T+TP53-/-细胞（CBT3），

•CDKN2A-/-+BRAF V600E+TERT-124C>T+PTEN-/-细胞（CBTP），

•CDKN2A-/-+BRAF V600E+TERT-124C>T+APC-/-细胞（CBTA），

•CDKN2A-/-+BRAF V600E+TERT-124C>T+PTEN-/-+TP53-/-细胞（CBTP3），

•CDKN2A-/-+BRAF V600E+TERT-124C>T+PTEN-/-+APC-/-细胞（CBTPA）。

研究团队将上述九种细胞模型植入小鼠体内并进行观察。

单细胞RNA测序显示，随着更多基因突变的引入，这些细胞逐渐改变了其基因表达程序，并且小鼠肿瘤模型与具有相同基因型的人类黑色素瘤患者具有相似的基因表达模式和色素沉着模式。

这表明新发黑色素瘤细胞忠实地反映了人类黑色素瘤患者身上的肿瘤。

黑色素瘤的一个显著特征是在癌症早期就开始转移，这项研究清楚地表明，CBTA细胞和CBTPA细胞是最具转移性的细胞，也就是说，APC基因敲除的细胞是最具转移性的类型，这表明我们的APC基因失活可能有助于黑色素瘤的转移。

该研究还表明，CDKN2A-/-+BRAF V600E+TERT-124C>T突变在一起时，会导致细胞表现得像癌细胞一样，并无限期分裂。

当上述三种突变加上PTEN和TP53基因失活时，肿瘤生长最快。

总的来说，本研究使用CRISPR-Cas9基因编辑技术编辑人类健康黑色素细胞，逐步引入1到5个基因突变，涉及黑色素瘤中常见的6个基因突变，即CDKN2A、BRAF、TERT、PTEN、TP53、APC。共构建了9个不同基因的细胞模型。

然后利用生理学评估、组织病理学、单细胞RNA测序和机器学习算法在体外和体内对这些模型进行了表征。

通过这些细胞模型，黑素细胞基因型与基因表达程序、复制和永生、恶性肿瘤、快速生长、色素沉着模式、肿瘤转移和组织病理学特征等表型相关。并确定了导致黑色素瘤生长、转移和肿瘤微环境变化的基因突变。

此外，这项研究不仅揭示了黑色素瘤的关键基因突变，还为研究特定基因在癌症中的作用提供了一种新方法。