通过应用全基因组CRISPR/Cas9筛选方法,系统而严谨地筛选辐射抗性与敏感性相关基因。该方案还可作为研究临床用药化学药物耐药机制的通用框架,适用于其他相关研究工作。
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通过应用全基因组CRISPR/Cas9筛选方法,系统而严谨地筛选辐射抗性与敏感性相关基因。该方案还可作为研究临床用药化学药物耐药机制的通用框架,适用于其他相关研究工作。
CRISPR-Cas9 系统已被开发并改造为一种强大的基因组编辑工具。利用该技术,研究人员能够精确地在活细胞内对 DNA 序列进行切割、拼接,甚至重写。然而,CRISPR 筛选技术的应用远不止于基础实验。它在对抗遗传性疾病方面发挥着关键作用,可系统性地解析复杂的遗传图谱,帮助研究人员揭示生物学现象背后的分子机制,并使科学家能够识别和靶向癌症、囊性纤维化及镰状细胞贫血等疾病的根本病因。其中,癌症对医学界构成了严峻挑战,推动着根除疾病的持续努力。放射治疗作为一种传统疗法虽具疗效,但存在局限性:它在清除癌细胞的同时也会损伤健康组织,导致不良反应,降低患者生活质量。此外,并非所有癌细胞都对放疗有反应,部分细胞可能产生耐受性,从而加重病情。为应对这一问题,本研究引入了一种全面的全基因组 CRISPR 筛选技术,该技术可高效鉴定与放射敏感性和放射抗性相关的基因,进而推动癌症研究与治疗领域的发展。根据所述方案,研究人员在经照射处理的肺腺癌细胞中开展了全基因组范围的 CRISPR 筛选,成功鉴定了与放射抗性和放射敏感性相关的一系列基因。
生物现象的研究本质上与细胞行为的研究密切相关,而细胞行为的研究又从根本上关联着基因组的探索。随着现代技术的不断发展,医学研究人员正逐步将注意力转向调控细胞行为 通过 基因编辑旨在提升多种疾病的治疗效果。在此领域,成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR)技术因其相对简便的应用而成为基因组编辑的革命性工具1CRISPR-Cas9 系统由 Cas9 核酸酶和单导向 RNA(sgRNA)组成,sgRNA 可特异性识别并结合靶标 DNA 序列,引导 Cas9 核酸酶在该位置进行切割,从而导致基因组 DNA 产生双链断裂(DSB)。2,3,4此外,引入其他物质可导致基因组发生特异性的插入、缺失或突变,从而实现靶向基因编辑。
在功能基因组学研究中,RNA干扰(RNAi)筛选曾是用于开展大规模基因功能缺失实验、研究基因在癌症中作用的常用方法。RNAi技术通过特异性沉默目标基因来研究基因功能,帮助研究人员鉴定关键的致癌因子。然而,该技术受限于脱靶效应和基因敲低效率不完全的问题。脱靶效应可能导致非目标基因被意外沉默,从而影响实验结果的准确性和可靠性1,2。此外,某些基因的RNAi敲低效率较低,可能无法完全抑制目标基因的表达。相比之下,CRISPR筛选具有更高的特异性和效率3。该技术不仅能对特定基因进行精确编辑,还可实现全基因组范围的大规模筛选,为基因功能研究提供了强有力的支持。CRISPR筛选技术是一种基于CRISPR-Cas9系统的强大基因编辑工具,可用于高效筛选并揭示细胞中特定基因的未知功能5,6,7,8。研究人员批量设计针对特定基因或基因区域的sgRNA,并精确严谨地构建相应的sgRNA文库,确保其完整性和功能性9。随后将这些sgRNA文库包装至慢病毒颗粒中,用于高效感染宿主细胞。成功感染后,将感染的细胞置于研究人员自定义的筛选条件下进行培养。筛选完成后,提取筛选后细胞的基因组DNA,并保证其纯度和产量达到高标准。接着对感兴趣的sgRNA靶向区域进行PCR扩增,该过程可准确复制目标核酸片段3,9。最后对扩增的DNA片段进行高通量测序,从而实现对目标区域的全面且高效的分析,为研究基因的功能与行为提供重要信息4。
癌症作为一种复杂的疾病,对人类健康构成严峻威胁。全球范围内,研究人员和临床医生正共同努力,以揭示致癌的分子机制并开发新的治疗策略。国际间已建立多项合作,旨在加速将基础研究发现转化为临床应用,最终改善患者的治疗效果。Sasmal 等人提出了一种基于合成主客体系统的生物正交组装策略,用于精准靶向转移性癌细胞,该策略已显著帮助数十位科学家推进了医学技术的发展。他们的杰出研究工作具有高度创新性和独特见解,为科学界作出了有意义的贡献10。癌症的特征是基因组不稳定性所导致的紊乱状态,其根源在于DNA损伤应答的异常调控11,12,13,14。DNA损伤包括单核苷酸缺陷、单链断裂以及双链断裂(DSBs)。同源重组(HR)和非同源末端连接(NHEJ)在不同阶段参与双链断裂的修复过程15,16,17。在此基础上,放射治疗已成为一种可行的治疗手段,其利用高能射线(如X射线和γ射线)照射肿瘤组织,诱导肿瘤细胞产生DNA损伤,从而破坏其生长与增殖能力18。然而,在相当一部分癌症患者中,放疗并未达到预期疗效,这可能源于对邻近正常组织的损伤,以及肿瘤自身特性所带来的限制,例如对放疗的敏感性较低19,20,21。
理论上,任何细胞类型均可用于CRISPR筛选。然而,为在突变细胞群体中维持足够的代表性,需要大量的起始细胞。因此,丰度较低的细胞类型并不特别适用于全基因组范围的筛选。至于文库的选择,大多数文库针对每个靶基因包含3至6条gRNA,而在细胞群体中维持每条gRNA的分布均匀性至关重要。18由于特定gRNA的富集或耗竭可能导致表征丢失,从而引起结果分布不均。为解决这一问题,选择经过市场验证的商用CRISPR文库可能是更优的方案。20. 体外 使用同质性癌细胞系进行CRISPR筛选可能无法充分捕捉肿瘤的遗传和表观遗传异质性 体内 肿瘤。尽管 体外 筛选揭示了参与DNA损伤修复和辐射诱导自分泌信号通路的关键基因,但未能完全模拟肿瘤微环境,包括缺氧诱导的放射抗性通过 活性氧、代谢适应和自噬),免疫介导的旁分泌效应,以及细胞外基质依赖性细胞因子调节。在利用CRISPR筛选技术探索与辐射敏感性或抗性相关基因之前,必须仔细考虑这些因素。鉴于当前的治疗现状,迫切需要识别并深入研究与放射抗性和放射敏感性相关的因素,以有效提高放射治疗的疗效22鉴于CRISPR筛选在研究未知基因功能方面具有关键优势,本文提供了一种系统且详尽的全基因组CRISPR筛选技术,可高效鉴定放射敏感性和放射抗性基因。
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本研究中使用的试剂和设备列于材料表中。
1. 选择合适的辐射剂量
2. 选择合适的感染复数(MOI)和嘌呤霉素浓度
3. 全基因组范围CRISPR慢病毒文库感染
4. 将辐射作为筛选条件的应用
5. 基因组提取与测序
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肺癌是病死率最高的恶性肿瘤,是一种高度侵袭性且高发的疾病。以肺癌细胞系 A549 为例,在放射照射作为筛选条件的情况下开展全基因组 CRISPR 筛选,其示意图流程见图1。首先,通过克隆形成实验和 CCK8 实验检测 A549 细胞对不同剂量辐射的敏感性(图2)。在克隆形成实验中,2 Gy 组的克隆数为 140 ± 5.35,而 0 Gy 组为 303 ± 31.63;在 CCK-8 实验中,2 Gy 组的光密度(OD)值为 0.65 ± 0.05,而 0 Gy 组为 1.35 ± 0.08。为研究辐射敏感性和抗辐射相关的候选基因,选择 2 Gy(IC50)作为后续的照射剂量。对 A549 细胞使用不同浓度的嘌呤霉素处理,并在 72 小时后进行计数。检测发现 A549 细胞的嘌呤霉素最低致死浓度为 1 µM(图3)。以不同梯度的 MOI 值感染 A549 细胞,感染 72 小时后通过荧光显微镜观察感染效率,并在嘌呤霉素处理前后分别计数,获得感染效率约为 0.3...
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作为一种前沿的基因编辑技术,CRISPR 筛选已在科学研究领域引发深刻变革5。该技术源于 CRISPR-Cas9 系统,因其高效性和精确性,已成为研究基因功能不可或缺的工具9。CRISPR/Cas9 的工程化原理是设计并引入约含 20 个核苷酸的特异性 sgRNA,引导 Cas9 核酸酶精确定位并切割目标 DNA 序列,从而实现基因敲除、激活或抑制等基因编辑操作6。这一原理推动了高通量、可定制的 CRISPR 筛选技术的发展。通过构建包含大量 sgRNA 的文库,研究人员可同时对多个基因进行编辑和筛选,快速鉴定出与特定表型或疾病状态相关的基因。此外,CRISPR 筛选可在多种细胞类型、组织乃至完整生物体中开展实验,有助于更全面地理解基因功能及其作用机制。
随着技术的快速发展,CRISPR 筛选在多个领域展现出巨大的应用潜力。例如,CRISPR 筛选可帮助科学家发现新的药物靶点,从而加速药物研发进程。在疾病研究中,该技术揭示了疾病发病机制,为...
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本研究由湖北省区域科技创新项目(2024EIA001)和武汉大学中南医院医学科技创新平台建设项目支持项目(PTXM2025001)资助。图1 使用 Figdraw 软件绘制。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 150 mm 细胞和组织培养皿 | Wuxi NEST Biotechnology Co., Ltd. | 715011 | 细胞培养 |
| 35 mm 细胞和组织培养皿 | Wuxi NEST Biotechnology Co., Ltd. | 706011 | 细胞培养 |
| A549 细胞系 | ATCC | - | - |
| 细胞计数试剂盒-8 | 上海碧云天生物技术股份有限公司 | C0041 | 用于细胞活力检测 |
| CO2-非依赖性培养基 | PHCbi | MCO-50AIC | 细胞培养 |
| Countess 3 FL 全自动细胞计数仪 | Thermo Scientific | AMQAF2001 | 用于细胞计数 |
| EDTA | Gibco | 25200056 | 细胞培养 |
| 胎牛血清 | Gibco | 10099141 | 细胞培养 |
| 荧光显微镜 | LEICA | ebq 100-04 | 用于荧光显微观察 |
| 全基因组CRISPR慢病毒文库 | 上海欧易生物科技股份有限公司 | H5070 | 用于慢病毒感染 |
| MiniAmp plus PCR仪 | Thermo Scientific | C37835 | 用于PCR扩增 |
| NEST 细胞培养板,12孔 | Wuxi NEST Biotechnology Co., Ltd. | 712002 | 细胞培养 |
| NEST 细胞培养板,6孔 | Wuxi NEST Biotechnology Co., Ltd. | 703002 | 细胞培养 |
| NEST 细胞培养板,96孔 | Wuxi NEST Biotechnology Co., Ltd. | 701001 | 细胞培养 |
| PBS | Gibco | C10010500BT | 细胞培养 |
| PCR 正向引物 (AATGGACTATCATATGCTTACCGTAACTTGAAAGTATTTCG) | 北京奥科鼎盛生物科技有限公司 | - | 用于PCR扩增 |
| PCR 反向引物 (GATGTGCGCTCTGCCCACTGACGGGCA) | 北京奥科鼎盛生物科技有限公司 | - | 用于PCR扩增 |
| Polybrene | 上海碧云天生物技术股份有限公司 | C0351 | 用于慢病毒感染 |
| 嘌呤霉素 | MCE | HY-K1057 | 用于慢病毒感染后筛选 |
| RPMI 1640 细胞培养基 | Gibco | 23400-021 | 细胞培养 |
| 天根基因组DNA提取试剂盒 | 北京天根生化科技有限公司 | DP304 | 用于基因组DNA提取 |
| X射线粉末衍射仪 | PerkinElmer | 用于放射治疗 |
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