Science：构建渐进式基因组编辑的人类黑色素瘤模型，揭示突变对肿瘤和微环境的影响

癌症的发生是由于多个基因的突变使原本正常的细胞发生癌变，而且这些突变通常是长期积累的，在患者的肿瘤中产生了表型的多样性。特定癌症类型的特定基因改变与预后、对治疗（尤其是靶向治疗）的反应或抗性、以及肿瘤获得进一步突变的倾向以及其他表型有关。然而，在患者身上推断基因型与表型的联系是具有挑战性的，因为任何两个肿瘤在遗传上有太多的不同，无法分离出一个或几个突变的影响。将癌症相关的突变或其组合与它们的表型系统性地联系起来的能力将促进科学家们对癌症发病机制和遗传相关疾病特征的理解。

在一项新的研究中，来自布罗德研究所、丹娜法伯癌症研究院、布莱根妇女医院和哈佛医学院等研究机构的研究人员认为，可以利用基因组编辑和癌症相关突变的适应度优势来建立人类肿瘤发生的细胞模型。这样的基因组编辑模型将重现精确的遗传学特性、谱系关系和癌症的逐步发展，从而允许他们在受控的实验设计中建立基因型到表型的联系。相关研究结果发表在2022年4月29日的Science期刊上，论文标题为“Stepwise-edited, human melanoma models reveal mutations’ effect on tumor and microenvironment”。

虽然对于来源于自我更新的干细胞的肿瘤已经有了类似的模型，特别是结直肠癌，但是对于来源于非干细胞分化细胞（nonstem differentiated cell）的肿瘤类型还没有类似的模型。这些作者提出了一种方法：从黑色素瘤的非干细胞起源---健康的人类黑色素细胞---开始，然后产生了一系列对关键癌基因突变进行精确基因组编辑的细胞，从而扩大了癌症产生的可能细胞模型。

这些作者产生了一系列渐进式基因组编辑的人类黑色素瘤模型。他们从健康的人类黑色素细胞开始，以循序渐进的方式引入了多达五个基因的突变，这些基因横跨在黑色素瘤中经常出现失调的六条通路：CDKN2A（RB通路的一部分）、BRAF（MAPK）、TERT（端粒酶）、PTEN（PI3K/AKT）、TP53（P53）和APC（Wnt），共建立了九种遗传上不同的细胞模型。

经过基因组编辑的人类细胞模型将黑色素瘤基因型和表型联系在一起。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abi8175。

这些作者利用生理评估、组织病理学和单细胞RNA测序（scRNA-Seq），以及计算方法和机器学习算法，在体外生长期间和通过小鼠异种移植皮内注射后，对这些模型进行了表征。通过这些模型，他们将黑色素细胞的基因型与诸如基因表达程序、持续复制能力、恶性、肿瘤快速生长、肿瘤色素沉着、转移和组织病理学特征之类的表型联系起来。在体外，连续的突变通过有序的表达连续体（expression continuum）产生了有序进展。在体内，恶性肿瘤细胞中的突变也影响了细胞类型的组成和肿瘤浸润的微环境细胞的表达状态。这些黑色素瘤模型与患者黑色素瘤共享基因型相关的表达程序，并部分重现了患者黑色素瘤基因型相关的组织病理学特征。

综上所述，这些作者确定的基因型与表型的联系突出了突变的影响往往取决于遗传背景。这种遗传上位效应（genetic epistasis）使得理解人类癌症突变景观的表型后果成为一个组合问题，对这个问题的研究需要能够扩展到多个突变的建模策略。经过基因组编辑的人类癌症模型能够确定一组确定的基因改变和疾病相关表型之间的因果关系，进一步了解癌症突变如何有助于产生人类恶性肿瘤的多种不同的表型。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Eran Hodis et al. Stepwise-edited, human melanoma models reveal mutations’ effect on tumor and microenvironment. Science, 2022, doi:10.1126/science.abi8175.