《自然》重磅：BRCA1突變真是乳腺和卵巢的「致癌炸彈」嗎？科學家利用CRISPR終於揭開了數千種變異的意義｜科學大發現

好萊塢著名女星安吉麗娜?朱莉在進行BRCA1基因檢測和遺傳諮詢後，發現患乳腺癌的概率為87%，患卵巢癌的概率為50%。於是在醫生的建議下，先後進行了乳腺、卵巢和輸卵管切除手術，使得患癌風險將降到5%以下[1]！

然而，絕大部分女性可能沒朱莉那麼幸運，因為他們攜帶的BRCA1基因變異，連科學家和醫生都不知道是否致癌[2]。而且，這個問題不僅存在於BRCA1，很多與癌症相關的基因變異都面臨著這個問題。使得人們不能提前對癌症進行預防和規避，讓病魔肆虐！

近日，美國西雅圖大學的Jay Shendure和Lea Starita博士終於為我們帶來了走出困境的希望。他們通過一種「飽和基因組編輯」的方法，明確解釋了BRCA1基因上近4000種變異類型的含義。這可以為女性癌症的預防和治療做出更加有效的指導，減少女性罹患乳腺癌和卵巢癌的風險。

並且，這種新開闢的方法可能大大推動對各種基因變異的研究，擴展到其他癌症，完善各類基因檢測項目。該成果發表在近期的頂級學術期刊《自然》上[3]。

左為Jay 博士，右為Lea博士

BRCA1基因之所以會含有這麼多種類型的變異，是因為它是一個總長81kbp的巨無霸基因。鹼基數多，發生變異的概率自然也就大了。

而BRCA1基因的功能恰恰又非常重要。這個基因主要在乳腺以及其他組織中表達，負責DNA的修復工作，能防止基因變異。若BRCA1因變異而失去功能，會誘發大量基因變異，使得腫瘤的發病風險大大增加[4]。

正因為如此，科學家才會非常關心BRCA1基因上的變異。但是，現有兩種評估基因變異的作用的方法，對大部分BRCA1的變異都不適用。

第一種方法是結合基因測序，在臨床病人中反覆觀察某種變異對癌症的作用，以評估其功能。這需要一定數量的臨床樣本。然而，BRCA1基因變異的類型有數千種之多，而攜帶某一種特定類型變異的患者的數量可能很少，臨床數據不足以對這些罕見變異的功能進行評估。

第二種是通過實驗手段，檢測攜帶變異的基因對其所參與的信號通路的影響。但是，通過生化實驗或者在細胞中基於cDNA進行實驗，都無法準確代表其在體內的作用，何況還有很多變異是在非編碼區的。而且，還不停有新的變異被發現，用實驗進行評估的腳步跟不上新變異出現的速度。

BRCA1蛋白結構

由於這些原因，我們一直不能理解BRCA1基因上大量變異的意義，讓很多有害的變異逍遙法外，為禍一方。對此，Jay Shendure和Lea Starita兩位科學家試圖改變這個局面。

既然攜帶特定某種變異的癌症病人數量可能很少，而且還不停有新的變異被發現。那麼是否可以在細胞中人為製造各種變異（包括之前未發現的變異），然後評價其作用呢？CRISPR/ Cas9系統所擁有的基因組編輯能力，為科學家們提供了這種可能。

製造變異不是問題，剩下的問題就是如何評價每種變異的作用了。

這同樣也難不倒科學家們。

BRCA1基因對一種叫HAP1的人類單倍體細胞系至關重要，BRCA1的功能缺失會嚴重影響HAP1的生存能力。因而，可以通過測定HAP1細胞的生存狀況，評估某種特定變異對BRCA1基因功能的影響。

製造變異和評估變異能力理論上都沒問題了，那就開始干吧。

實驗流程

研究者們精心挑選了大量BRCA1基因位點，都屬於該基因的要害部位。對於每一個位點，他們都通過CRISPR/ Cas9系統在2000萬個HAP1細胞中進行編輯，製造變異。

隨後，將這些細胞培養特定的時間，分別評估這些基因變異給細胞造成的影響，進行量化評分。他們一共得到了3893個基因變異的功能評分。通過評分來判斷該基因變異是良性的還是具有致病性的。

當然，這個「飽和基因組編輯」評分的可靠性，還要經過實踐來檢驗。

在這些製造的變異中，有很多變異的作用在臨床中是已知的。研究者們將其功能評分與已知結果進行比較，發現他們的評分對致病性預測的準確率令人讚歎，AUC高達0.983！

通過評分預測的結果與已知結果重合率高得出奇

研究人員曾懷疑過HAP1細胞的生存試驗是否能代表真實的生理狀態，但超過95%的預測準確率無疑打消了這種疑慮。

這表明，通過「飽和基因組編輯」評分區分基因變異的致病性是可靠的。

作者表示，他們研究的結果對臨床也具有指導意義。例如，BIC（The Breast Cancer Information Core）資料庫中對BRCA1基因上的很多變異的解釋是互相矛盾的，而本實驗得到的結果可能可以更新現有的資料庫。

當然，研究人員表示這次只評估了BRCA1基因重要位點的變異，接下來兩年，他們要將評估範圍擴大到整個基因。屆時，我們對該基因的變異將有更加全面的了解。

目前，他們正在通過Brotman Baty資料庫迅速發布新獲得的基因變異的信息，以幫助患者和臨床醫生弄清楚測序結果的意義。Starita博士希望這個資料庫能繼續擴大，以便於第一時間能為女性做出指導[6]。

現在雖然已經能夠非常方便的得到測序數據，但絕大部分基因變異的功能都沒有被闡釋，大大限制了基因組醫學的發展。而這個方法提供了一個解決這個問題的機會。

Jay博士表示，他們將繼續利用「飽和基因組編輯」技術研究其他癌症的風險基因，測試更多罕見突變對人類健康的影響。

希望「飽和基因組編輯」技術能為我們闡釋更多基因和基因變異的功能，推動功能基因組時代的進程，讓更多的人收益。

編輯神叨叨

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參考資料：

[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 | 低溫藝術家

「CRISPR又名『要你命三千』？」

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