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對功能基因組學來說,改變游戲規則的時刻總是反映了用于在整體規模上研究新的表現型的、強大的新試劑或方法的發展和應用。三項獨立的研究描述了用系統的、基因組規模的方法來確定生存*的人類基因,它們合起來組成了必需基因集合。Blomen等人和Wang等人分別報道了一致的、包含約2000個基因的、人類細胞生存*的基因集合。另外,Hart等人也得到了相似的實驗結果。這是我們*次確實地知道人類細胞分裂所需的、必需基因的核心集合。這項結果開啟了研究必需基因的功能、基因的重要性如何依賴于遺傳和組織環境、以及必需基因如何演化等問題的大門。
酵母是一種為功能基因組學提供了可靠的實驗平臺的模式生物。從科學家*次描述了酵母的核心基因組集合開始,他們就預言將會確定人類細胞必需基因的核心集合。在酵母中,確定必需基因的集合是相對直接的,因為酵母的基因組非常緊湊,并且能夠地完成基因重組,這使得在其正常染色體環境中的的基因缺失成為可能。
酵母的基因缺失能夠在二倍體細胞中進行,然后引導二倍體細胞進行減數分裂,產生只含有敲刪基因的單倍體細胞。如果一種突變的單倍體細胞株在遺傳操作之后無法生長,則證明這個突變基因是對細胞分裂非常重要的基因。這種缺失突變在基因組規模的應用揭示了在標準生長環境下對酵母基因組約6000個基因中對其生存至關重要的1000個左右基因。酵母的核心基因編碼了驅動如轉錄、翻譯、DNA復制、細胞周期控制和基礎代謝等基本細胞功能的蛋白。而且,酵母的必需基因有幾個能夠反映在細胞生命中重要功能的屬性。例如,它們都是保守和進化受限的,高度表達的,編碼大量傾向于形成穩定的復合物、有豐富的蛋白-蛋白相互作用的蛋白質。
如今,人類細胞的必需基因的情況能夠利用在酵母中建立的概念框架進行研究。Blomen等人考察了兩個細胞系中的必需基因:接近單倍體的、慢性粒細胞白血病(chronic myelogenous leukemia, CML)細胞系KBM7以及它的非造血細胞衍生物、所有染色體皆為單倍體的細胞系HAP1。這些單倍體細胞系能夠用以基因陷阱插入突變(gene-trap insertional mutagenesis)的方法來確定必需基因。Wang等人也用基因陷阱的方法研究了KBM7細胞,但他們進一步利用基于成簇的、規律間隔的短回文重復序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)的基因編輯技術。這種技術能夠在二倍體細胞中直接探究必需基因。他們研究了另一種CML細胞系K562,以及兩種伯基特淋巴瘤細胞系Raji和Jiyoye。類似的,Hart等人利用CRISPR-Cas9基因編輯技術來探索必需基因,但他們是在一系列多樣化的粘連細胞系中完成的,例如結腸癌細胞系、宮頸癌細胞系、病人體內獲取的原代膠質母細胞和永生的視網膜上皮細胞。三個研究組都發現人類的必需基因是高度保守的,而且與酵母相似,它們編碼了大量參與蛋白-蛋白相互作用的蛋白質。人類細胞必需基因的核心集合還傾向于存在副本、表現出更強的演化限制的特征:它們演化緩慢、涉及極少量的缺失性單核苷酸多態性位點。雖然許多必需基因都涉及基礎生物學過程,包括轉錄、翻譯和DNA復制,但一些重要片段的功能仍然不確定。事實上,每項研究都優先處理大量的功能未知、有待探究的基因。
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