2021-09-23

Cell Reports | 抗药性标签更高效研究基因功能

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贝勒医学院的科学家们表示，他们已经开发出一种技术来研究基因在基础生物学和疾病中的作用，这种技术比目前的方法更容易、更快、更有效。

该团队称，他们基于药物的基因平台使研究人员能够跟踪实验室果蝇（Drosophila melanogaster）的基因操作，而无需筛选数千只果蝇。

研究人员在《Cell Reports》上的一篇题为“Multiplexed drug-based selection and counterselection genetic manipulations in Drosophila”的文章中描述了这项新技术的基本原理及其应用实例。STAR Protocols上的一篇配套论文展示了如何设置、实施和分析这项技术所涉及的实验程序。

免费提供遗传工具和资源，包括一个质粒库，以协助研究人员将这种新方法应用到他们的实验系统中。

“黑腹果蝇作为模型系统的力量依赖于易处理的种系遗传操作。尽管果蝇拥有庞大的遗传学工具箱，但这种操作仍然是一次完成一个变化，并且主要依赖于表型筛选。我们描述了一个基于药物的遗传平台，由四个选择和两个反选择标记组成，无需筛选改良后代。这些标记单独或组合可靠地工作以产生特定的遗传结果。”研究人员写道。

“我们通过生成（1）转基因动物，在单个转基因步骤中表达二元过表达系统的两种成分；（2）双选择和反选择平衡染色体；（3）可选择的、荧光标记的P[acman]细菌人工染色体（BAC）菌株，展示了基于药物的多重遗传学的三个示例应用。”

“我们在一个标记的BAC系上进行免疫沉淀，然后进行蛋白质组学分析，证明我们的平台适用于生物发现。最后，我们提供了一个质粒库资源，以促进定制转基因设计和向其他Q2模型系统的技术转移。”

“实验室果蝇是一种广泛使用的动物模型，用于研究基因和突变对健康和疾病的生物过程的功能。”第一作者、贝勒医学院Koen J.T.Venken博士实验室的研究生Nick Matinyan博士说，当时他正在从事这个项目。他目前是约翰霍普金斯大学医学院的博士后研究员。

为了研究特定基因的功能，研究人员首先将其导入数千只果蝇中，然后对果蝇进行单独筛选，以确定哪些果蝇成功地整合了该基因。为了区分携带感兴趣基因的果蝇和没有携带感兴趣基因的果蝇，在基因上添加了一种“标签”。传统上，这个标签是在果蝇中很容易观察到的一种物理特征。

标签可以是特定的眼睛颜色，例如红色，因此研究人员知道红眼睛的果蝇是携带研究基因的果蝇。体色、翅膀或体形是其他通常用于标记感兴趣的遗传特征的身体特征。

“这一过程多年来一直运作良好，但一个主要的缺点是，在显微镜下逐个目视筛选数千只果蝇以寻找特定的身体特征可能会变得非常乏味和耗时。”贝勒医学院Verna and Marrs Mclean生物化学和分子生物学系助理教授、这项工作的共同通讯作者Venken说。

“在目前的研究中，我们开发了一套基于药物的标记系统，用于选择或反选择研究基因，这显著改善了筛选过程。”贝勒医学院分子和人类遗传学及神经科学副教授、该研究的共同通讯作者Herman A. Dierick博士补充道。

这项技术背后的想法是，不是用身体特征标记感兴趣的基因，而是用另一个基因标记它们，赋予果蝇对特定药物的抗性或敏感性。研究人员现在可以使用该药物在一组果蝇中选择或反选择携带感兴趣基因的果蝇，而不是手动筛选身体特征。

使用抗药性标签选择携带感兴趣基因的果蝇的实验，将首先将研究基因和相关的抗药性标签引入果蝇，然后将所有果蝇暴露于添加到其食物中的药物。含有研究基因的果蝇也对该药物具有耐药性，并且能在暴露后存活下来。

“这种更简单、有效的策略节省了大量的时间，使研究人员能够提高工作效率。”研究人员指出。

其他类型的实验可能会受益于使用药物敏感性标签的反选择策略。

“我认为反选择对于研究一个基因并希望对同一基因进行多次修改以研究其功能如何改变的科学家来说非常有用。”Venken指出，他也是Dan L.Duncan综合癌症中心的研究成员和贝勒医学院的McNair学者。“在这种情况下，将药物敏感性标签和耐药性标签结合起来是值得的，这种结合可以帮助选择和反选择感兴趣的基因。研究人员可以制作多种基因组合并进行选择，然后在随后的步骤中以极低的成本快速反选它们。”

研究人员补充道：“就时间而言，我估计这项新技术至少比传统方法快10倍。”

“我们希望这项工作提供了一个框架，以加速从实验室工作台到临床的过渡。”研究人员说，“通过开发使基础研究更容易、更简单、更快的工具，我们可以缩短从理解基础知识到将其作为转化成果实施所需的时间。”