分析基因功能的新方法

国家研究中心卡洛斯三世(CNIC)的科学家开发出了生产和分析遗传马赛克的新方法。在这些马赛克中,组织包含具有不同已知基因型的各种细胞群,允许研究这些基因型在细胞行为中产生的差异。新方法,今天发布在Cell,将允许任何研究人员在脊椎动物模型如小鼠和斑马鱼中诱导多光谱遗传马赛克。该技术将有助于在高度时空分辨率,发育和疾病期间促进对基因功能和相互作用的理解。基因编码合成蛋白质所需的信息,蛋白质是我们细胞的功能构建模块。研究基因功能的改进方法将使研究人员能够“增加关于基因组如何在构成我们身体的多种细胞类型中运作并了解基因相互作用网络及其监管层次结构的知识。” 此外,这种知识对于设计有效的治疗策略以修改或纠正疾病中的遗传活动至关重要。

修改基因活性的能力从根本上改变了生物过程研究的方法。今天,大多数研究人员通过在器官或动物的全部或部分细胞中修改其活性 - 增加或消除它 - 来一次分析一个基因的功能。通过这种方法,通过分析单个遗传修饰在器官或动物的发育,功能或疾病中产生的变化,获得对基因功能的理解。

正如第一作者Rui Benedito所解释的那样,在使用诱导型遗传马赛克的实验方法中,诱导的遗传变化仅发生在生物体的某些细胞(突变细胞)中,而其他细胞则保持不变(正常细胞)。“使用诱导型遗传马赛克非常重要,因为它使我们能够研究不同基因型细胞在同一环境中的表现,因此任何差异都可归因于诱导的遗传改变。” 这种研究基因功能的方法通常比使用经典遗传学更精确和更具信息性,其中生物体的所有细胞中的靶基因的修饰可以产生不能在时间上或空间上控制的二次改变并且可能扭曲解释在研究过程中基因的功能。

由于在该生物体中易于进行有丝分裂重组,遗传马赛克已被广泛用于果蝇中,并且彻底改变了基因功能和细胞生物学的研究。然而,迄今为止,在生物医学研究中最常用的模式生物体中诱导和分析遗传镶嵌体在技术上更具挑战性。

为了在小鼠中产生遗传镶嵌体,CNIC血管生成实验室分子遗传学的科学家开发了新的分子生物学和转基因方法。这些方法允许在单个小鼠中同时诱导与可通过高分辨率多光谱显微镜检测的不同荧光标记物的表达相关的多个镶嵌基因修饰。

为了使这些新的遗传工具可供其他研究小组使用,CNIC团队首先开发了一种开源DNA工程策略,该策略极大地简化了包含多个靶基因和荧光标记基因的大型复杂DNA构建体的产生。该团队还开发了新的CRISPR / Cas9方法,将这些DNA分子引入胚胎干细胞或受精卵,简化了转基因小鼠马赛克的快速可靠生成。

通过这些新的遗传工具和转基因小鼠,CNIC团队能够通过同时荧光显微镜研究多达15个颜色编码的细胞群,研究多个基因在同一组织中的功能,每个细胞群表达独特的基因组合。根据Rui Benedito的说法,“这项技术首次允许在同一只小鼠的不同细胞中诱导和分析多种遗传马赛克的组合。因为不同的细胞群体在同一组织中被诱导,并且可以同时成像,分析他们的行为如何不同可以提供精确的数据和对所研究基因功能的新见解。这种方法比已建立的遗传分析程序具有真正的优势,需要比较不同组织或环境中存在的细胞,