Seit dem Abschluss des Humangenomprojekt , das fast 20.000 Protein kodierende Gene identifiziert haben Wissenschaftler versucht, die Rolle dieser Gene zu entschlüsseln. Ein neuer Ansatz am MIT entwickelt , sollte die Grundzüge der Institute und der Whitehead -Institut den Prozess beschleunigen , indem es Forschern, die das gesamte Genom auf einmal zu studieren.
Das neue System , als CRISPR bekannt ist, ermöglicht es den Forschern , um dauerhaft und gezielt Gene von DNA einer Zelle zu löschen. In zwei neue Papiere zeigten die Forscher, dass sie alle die Gene in das Genom durch Löschen eines anderen Gen in jeder einer großen Population von Zellen , so die Beobachtung , welche Zellen unter verschiedenen Bedingungen vermehrt studieren.
" Mit dieser Arbeit ist es nun möglich, systematischen genetischen Screens in Säugerzellen durchzuführen. Dies wird eine große Hilfe Anstrengungen, um die Funktion der beiden Protein kodierende Gene zu verstehen, als auch nicht-kodierende genetische Elemente ", sagt David Sabatini, Mitglied des Whitehead Institute, mIT-Professor der Biologie, und leitende Autor eines der Papiere , die beide in der aktuellen Online-Ausgabe des Wissenschafts angezeigt.
Mit diesem Ansatz konnten die Forscher um Gene zu identifizieren , mit denen Melanom Wnt-Proteine , ebenso wie Gene , die Resistenz gegen bestimmte Chemotherapie Medikamente. Solche Studien könnten Wissenschaftlern helfen, gezielte Krebstherapien durch die Enthüllung der Gene, die Krebszellen angewiesen sind, um zu überleben.
Feng Zhang, die W. M. Keck Assistenzprofessor für Biomedizinische Technik und leitende Autor der anderen Wissenschaft Papier, unter Ausnutzung einer natürlich vorkommenden Bakterienprotein erkennt und Schere Virus-DNA entwickelt, die CRISPR System . Dieses Protein, das als Cas9 bekannt ist, wird durch kurze RNA -Moleküle genannt Führungen, die an die DNA binden, um geschnitten werden rekrutiert. Diese DNA - Bearbeitung Komplex bietet eine sehr genaue Kontrolle darüber, welche Gene gestört ist, durch einfache Änderung der Sequenz der RNA Führer.
"Eines der Dinge, die wir realisiert haben, ist , dass man leicht umprogrammieren diese Enzyme mit einer kurzen Nukleinsäurekette . Dieser Beitrag nutzt das und zeigt, dass man , dass eine große Anzahl skalieren und wirklich probieren Sie in der gesamten Genoms " sagt Zhang, der auch Mitglied des MIT McGovern Institut für Hirnforschung und die Grundzüge der Institute .
Für ihr neues Papier, Zhang und Kollegen erstellt eine Bibliothek von über 65.000 Führungs RNA-Stränge , die fast jede Ziel bekannten Gen . Sie brachten Gene für diese Führer , zusammen mit Genen, die für die CRISPR Maschinen, die menschliche Zellen . Jede Zelle nahm einer der Führer, und das Gen von diesem Führer gezielt gelöscht. Wenn das Gen verloren war notwendig für das Überleben , starb der Zelle.
"Dies ist das erste Werk , das wirklich bringt so viele Mutationen in einer kontrollierten Art und Weise , die wirklich eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten in der funktionellen Genomik ", sagt Ophir Shalem , ein Postdoc Broad Institute und einer der Hauptautoren des Zhang Papier , zusammen mit Broad Institute Postdoc Neville Sanjana .
Dieser Ansatz ermöglichte es den Forschern , um für das Überleben von zwei Populationen von Zellen Gene zu identifizieren : Krebszellen und pluripotenten Stammzellen . Die Forscher stellten auch Gene, die für Melanomzellen notwendig erkannt , die Behandlung mit dem Chemotherapeutikum Vemurafenib überleben.
In der anderen Papier, das von Sabatini und Eric Lander , Direktor des Broad Institute und einem MIT- Professor für Biologie geführt , gezielt das Forschungsteam eine kleinere Menge von etwa 7.000 Gene , aber sie entwickelt mehr RNA Leitsequenzen für jedes Gen . Die Forscher erwarten, dass jede Sequenz würde seine Zielgens gleich gut zu blockieren , aber sie stellte fest, dass Zellen mit verschiedenen Führungen für das gleiche Gen hatten unterschiedliche Überlebensraten.
"Das schlug vor, dass es immanenten Unterschiede zwischen den Führungs RNA-Sequenzen , die Unterschiede in der Effizienz bei Spaltung der genomischen DNA führte ", sagt Tim Wang, ein MIT- Student im Aufbaustudium in Biologie und führen Autor des Papiers.
Von dieser Daten abgeleitet die Forscher einige Regeln, die für die Effizienz des CRISPR - Cas9 System regeln angezeigt. Sie dann verwendet werden , diese Regeln auf einen Algorithmus, der die erfolgreichsten Sequenzen vorhersagen kann , um eine bestimmte Gens gerichtet erstellen.
" Diese Papiere zusammen zeigen die außergewöhnliche Leistung und Vielseitigkeit des CRISPR - Cas9 System als Instrument für die genom Entdeckung der Mechanismen, die Säugetier- Biologie ", sagt Lander . "Und wir sind erst am Anfang : Wir sind immer noch die Aufdeckung der Fähigkeiten dieses System und seine vielen Anwendungen . "
Die Forscher sagen, dass das CRISPR Ansatz könnte eine effizientere und zuverlässige Alternative zur RNA- Interferenz (RNAi) , die derzeit die am weitesten verbreitete Methode zur Untersuchung von Gen-Funktionen bieten . RNAi funktioniert durch Liefern kurzen RNA als shRNA , die Messenger-RNA zu zerstören (mRNA) , die die DNA- Anweisungen an den Rest der Zelle führt bekannt.
Der Nachteil RNAi ist, dass es gezielt mRNA und nicht die DNA , so dass es unmöglich ist, zu 100 Prozent Eliminierung des Gens zu erhalten. " CRISPR ein gegebenes Protein vollständig zum Abbau in einer Zelle , während shRNA wird das Niveau zu reduzieren , aber es wird nie Erschöpfung zu erreichen ", sagt Zhang .
In zukünftigen Studien wollen die Forscher um genomweite Screens von Zellen, die sich durch den Verlust von Krebs haben durchführen Tumor Suppressor Genen wie BRCA1 . Wenn die Wissenschaftler herausfinden, welche Gene , die für diese Zellen , um zu gedeihen , können sie in der Lage, Medikamente, die hoch krebsspezifische entwickeln , sagt Wang .
Diese Strategie kann auch verwendet werden für die Suche nach Medikamenten, die Tumorzellen, die Resistenz gegenüber bestehenden Chemotherapeutika entwickelt haben , um die Identifizierung von Genen , die solche Zellen beruhen auf Überleben kontern .
Die Forscher hoffen auch, die CRISPR System verwenden, um die Funktion der überwiegende Teil des Genoms , die nicht für Proteine kodieren nicht studieren. " Nur 2 Prozent des Genoms kodieren. Das ist, was diese beiden Studien konzentrierten sich auf , dass 2 Prozent , aber eigentlich gibt es die anderen 98 Prozent , die für eine lange Zeit hat wie die dunkle Materie gewesen" Sanjana sagt .