《自然》重磅：BRCA1突变真是乳腺和卵巢的“致癌炸弹”吗？科学家利用CRISPR终于揭开了数千种变异的意义｜科学大发现
好莱坞著名女星安吉丽娜•朱莉在进行BRCA1基因检测和遗传咨询后，发现患乳腺癌的概率为87%，患卵巢癌的概率为50%。于是在医生的建议下，先后进行了乳腺、卵巢和输卵管切除手术，使得患癌风险将降到5%以下[1]！
然而，绝大部分女性可能没朱莉那么幸运，因为他们携带的BRCA1基因变异，连科学家和医生都不知道是否致癌[2]。而且，这个问题不仅存在于BRCA1，很多与癌症相关的基因变异都面临着这个问题。使得人们不能提前对癌症进行预防和规避，让病魔肆虐！
近日，美国西雅图大学的Jay Shendure和Lea Starita博士终于为我们带来了走出困境的希望。他们通过一种“饱和基因组编辑”的方法，明确解释了BRCA1基因上近4000种变异类型的含义。这可以为女性癌症的预防和治疗做出更加有效的指导，减少女性罹患乳腺癌和卵巢癌的风险。
并且，这种新开辟的方法可能大大推动对各种基因变异的研究，扩展到其他癌症，完善各类基因检测项目。该成果发表在近期的顶级学术期刊《自然》上[3]。
左为Jay 博士，右为Lea博士
BRCA1基因之所以会含有这么多种类型的变异，是因为它是一个总长81kbp的巨无霸基因。碱基数多，发生变异的概率自然也就大了。
而BRCA1基因的功能恰恰又非常重要。这个基因主要在乳腺以及其他组织中表达，负责DNA的修复工作，能防止基因变异。若BRCA1因变异而失去功能，会诱发大量基因变异，使得肿瘤的发病风险大大增加[4]。
正因为如此，科学家才会非常关心BRCA1基因上的变异。但是，现有两种评估基因变异的作用的方法，对大部分BRCA1的变异都不适用。
第一种方法是结合基因测序，在临床病人中反复观察某种变异对癌症的作用，以评估其功能。这需要一定数量的临床样本。然而，BRCA1基因变异的类型有数千种之多，而携带某一种特定类型变异的患者的数量可能很少，临床数据不足以对这些罕见变异的功能进行评估。
第二种是通过实验手段，检测携带变异的基因对其所参与的信号通路的影响。但是，通过生化实验或者在细胞中基于cDNA进行实验，都无法准确代表其在体内的作用，何况还有很多变异是在非编码区的。而且，还不停有新的变异被发现，用实验进行评估的脚步跟不上新变异出现的速度。
BRCA1蛋白结构
由于这些原因，我们一直不能理解BRCA1基因上大量变异的意义，让很多有害的变异逍遥法外，为祸一方。对此，Jay Shendure和Lea Starita两位科学家试图改变这个局面。
既然携带特定某种变异的癌症病人数量可能很少，而且还不停有新的变异被发现。那么是否可以在细胞中人为制造各种变异（包括之前未发现的变异），然后评价其作用呢？CRISPR/ Cas9系统所拥有的基因组编辑能力，为科学家们提供了这种可能。
制造变异不是问题，剩下的问题就是如何评价每种变异的作用了。
这同样也难不倒科学家们。
BRCA1基因对一种叫HAP1的人类单倍体细胞系至关重要，BRCA1的功能缺失会严重影响HAP1的生存能力。因而，可以通过测定HAP1细胞的生存状况，评估某种特定变异对BRCA1基因功能的影响。
制造变异和评估变异能力理论上都没问题了，那就开始干吧。
实验流程
研究者们精心挑选了大量BRCA1基因位点，都属于该基因的要害部位。对于每一个位点，他们都通过CRISPR/ Cas9系统在2000万个HAP1细胞中进行编辑，制造变异。
随后，将这些细胞培养特定的时间，分别评估这些基因变异给细胞造成的影响，进行量化评分。他们一共得到了3893个基因变异的功能评分。通过评分来判断该基因变异是良性的还是具有致病性的。
当然，这个“饱和基因组编辑”评分的可靠性，还要经过实践来检验。
在这些制造的变异中，有很多变异的作用在临床中是已知的。研究者们将其功能评分与已知结果进行比较，发现他们的评分对致病性预测的准确率令人赞叹，AUC高达0.983！
通过评分预测的结果与已知结果重合率高得出奇
研究人员曾怀疑过HAP1细胞的生存试验是否能代表真实的生理状态，但超过95%的预测准确率无疑打消了这种疑虑。
这表明，通过“饱和基因组编辑”评分区分基因变异的致病性是可靠的。
作者表示，他们研究的结果对临床也具有指导意义。例如，BIC（The Breast Cancer Information Core）数据库中对BRCA1基因上的很多变异的解释是互相矛盾的，而本实验得到的结果可能可以更新现有的数据库。
当然，研究人员表示这次只评估了BRCA1基因重要位点的变异，接下来两年，他们要将评估范围扩大到整个基因。届时，我们对该基因的变异将有更加全面的了解。
目前，他们正在通过Brotman Baty数据库迅速发布新获得的基因变异的信息，以帮助患者和临床医生弄清楚测序结果的意义。Starita博士希望这个数据库能继续扩大，以便于第一时间能为女性做出指导[6]。
现在虽然已经能够非常方便的得到测序数据，但绝大部分基因变异的功能都没有被阐释，大大限制了基因组医学的发展。而这个方法提供了一个解决这个问题的机会。
Jay博士表示，他们将继续利用“饱和基因组编辑”技术研究其他癌症的风险基因，测试更多罕见突变对人类健康的影响。
希望“饱和基因组编辑”技术能为我们阐释更多基因和基因变异的功能，推动功能基因组时代的进程，让更多的人收益。
编辑神叨叨
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参考资料：
[1] Jolie Pitt, Angelina (March 24, 2015)."Angelina Jolie Pitt: Diary of a Surgery". The New York Times.Retrieved March 24, 2015
[2] Landrum, M. J. et al. ClinVar: publicarchive of interpretations of clinically relevant variants. Nucleic Acids Res.44, D862–D868 (2016)
[3] Findlay, G. M., Daza, R., Martin, B.,Zhang, M. D., Leith, A., Gasperini, M., ... & Shendure, J. (2018). Accuratefunctional classification of thousands of BRCA1 variants with saturation genomeediting. bioRxiv,.
[4] Yoshida K, Miki Y (November 2004)."Role of BRCA1 and BRCA2 as regulators of DNA repair, transcription, andcell cycle in response to DNA damage". Cancer science. 95 (11): 866–71.
[5]https://medicalxpress.com/news/2018-09-thousands-breast-cancer-gene-variants.html
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本文作者 | 低温艺术家
“CRISPR又名‘要你命三千’？”