【佳學基因檢測】使用高通量基因篩選鑒定新的放射敏感性調(diào)節(jié)劑

放射療法的基因檢測導讀：

電離輻射 (IR) 對人體的生物學影響不僅取決于輻射的物理特性和吸收劑量，還取決于受照射個體的獨特敏感性。IR 的一個關鍵目標是 DNA，DNA 損傷反應是一種保護機制，用于維持基因組完整性以應對誘導的細胞應激。未修復的 DNA 損傷會導致各種突變，從而對健康產(chǎn)生不利影響。細胞對 IR 的敏感性與細胞修復 DNA 損傷的能力高度相關，特別是影響該過程的基因的編碼序列以及有助于保持基因組完整性的其他基因的編碼序列。然而，正確分析個體敏感性背后的分子事件需要具有靈敏讀數(shù)的技術。在這里，我們總結了賊近使用全基因組分析并確定影響個體放射敏感性的基因的研究。雖然微陣列和 RNA-seq 提供了轉(zhuǎn)錄組的快照，但 RNA 干擾 (RNAi) 和 CRISPR-Cas9 技術是強大的工具，可以調(diào)節(jié)基因表達和表征涉及放射敏感性或放射抗性的特定基因的功能。值得注意的是，CRISPR-Cas9 已經(jīng)改變了基因組編輯技術的格局，因為它提高了準備性、精度和靈敏度。確定細胞放射敏感性的關鍵調(diào)節(jié)因子將有助于定制提高治療效果和快速預測臨床結果的方案。它還將有助于基于平均個人敏感性的職業(yè)保護，

放療敏感性調(diào)節(jié)藥物及制劑研究關鍵詞

 放射敏感性，放射抗性，基因組編輯，CRISPR-Cas9，電離輻射

1. 放射敏感性調(diào)節(jié)藥物與制劑簡介

在其一生中，人類可能會暴露于各種來源和劑量的電離輻射 (IR)，無論是來自診斷檢查（例如計算機斷層掃描和核醫(yī)學掃描）、環(huán)境和職業(yè)暴露，還是癌癥和其他疾病的治療. 無論暴露于低劑量或高劑量電離輻射（LDIR、HDIR），DNA 都是 IR 的主要細胞靶點。DNA 損傷反應是一種保護機制，可維持基因組完整性以應對各種形式的細胞應激，包括 IR。如果不加以修復，DNA 損傷，尤其是 IR 誘導的 DNA 雙鏈斷裂 (DSB)，可能會導致基因組不穩(wěn)定，從而導致體內(nèi)穩(wěn)態(tài)擾動和傳播到后代細胞的有害后果。盡管已知輻射劑量和劑量率以及遺傳易感性和環(huán)境因素決定了細胞反應的性質(zhì)和程度，但信號通路（例如，在 DNA 修復、氧化代謝或免疫反應中）的作用仍不清楚和正在調(diào)查。識別這些途徑中涉及的分子事件將揭示決定放射敏感性的關鍵途徑中的新生物標志物。本綜述總結了當前的研究結果，使用高通量篩選技術，確定正常組織和癌細胞中的關鍵輻射抗性或敏感性調(diào)節(jié)劑，這些調(diào)節(jié)劑可用作治療靶點，也有助于個性化治療策略。

2. 輻射響應

自 1895 年倫琴發(fā)現(xiàn) X 射線以來，已經(jīng)報道了對 IR 的各種反應。到 1906 年，患者的放射敏感性差異被認為是影響 X 射線醫(yī)療應用放射治療結果的主要因素之一. 然而，放射敏感性的定義近年來受到了挑戰(zhàn)。電離輻射獨立咨詢小組已將放射敏感性重新定義為衡量細胞或生物體反應程度的指標，而不是衡量 IR 誘導的細胞死亡的指標。此外，“抗輻射”是一個復雜的過程，其中多個基因參與了防止損傷發(fā)生或修復或消除受損細胞的各種機制。癌細胞或正常組織的誘導輻射抗性也有助于細胞適應隨后的環(huán)境挑戰(zhàn)（即IR），以及抵消氧化代謝的有害影響。

人類對 IR 的反應受各種因素的影響，例如年齡、吸煙、疾病和基因型。例如，一項針對乳腺癌患者的初步研究評估說，放療 (RT) 引起的正常組織損傷的 81% 到 90% 的變化是由于患者的特定特征造成的。放射敏感性的這種變化部分受個體遺傳或表觀遺傳特征的影響。雖然輻射誘導的 DNA 損傷可以有不同的形式（即堿基修飾、單鏈斷裂和 DSB），但放射敏感性是細胞進行特異性 DNA DSB 修復的能力 。DNA DSB 修復的兩個主要途徑是容易出錯的非同源末端連接 (NHEJ)，它通過細胞周期被激活，以及同源重組修復 (HRR)，它發(fā)生在 S 和 G2 后期。介導這些途徑的分子事件繼續(xù)被理解并為新發(fā)現(xiàn)提供了機會。主要在 HDIR的背景下研究了人群中 DNA 修復機制的細胞能力的個體差異。例如，突變的BRCA1/2基因攜帶者在正常細胞和腫瘤細胞中都具有更高的放射敏感性。此外，頻繁暴露于診斷輻射可能會帶來問題，尤其是對于在年長時表現(xiàn)出不利健康影響的年輕人而言。暴露于累積劑量的 X 射線或 CT 掃描會顯著增加兒童患白血病或腦癌的風險。然而，個體放射敏感性的確切分子基礎，特別是在 LDIR 中，仍然知之甚少，放射敏感性的生物標志物也難以捉摸。由于人類中有大量（超過 2 萬個）基因，低通量研究可能無法有效篩選所有涉及放射敏感性的調(diào)節(jié)劑。相比之下，高通量分析提供了快速跟蹤的預測測試，并在輻射暴露的情況下為高危人群定制治療方案或公共政策。

3. 研究放射敏感性和抗性的高通量篩選方法

3.1. 基因表達分析（微陣列和 RNA 測序）

隨著關鍵“組學”相關技術的發(fā)展，如 RNA 測序、微陣列、RNAi和 CRISPR-Cas9。高通量篩選可以識別特定表型的新基因或調(diào)節(jié)因子，并產(chǎn)生可以在低通量機制和功能研究中驗證的新假設（圖1）。

圖1:個體放射敏感性研究的示意圖

使用高通量基因表達方法，一些研究已經(jīng)確定了影響對輻射反應的基因。例如，郭等人在肺癌細胞中使用 DNA 微陣列分析。分析響應 IR的全局基因表達。一個微陣列包含數(shù)以千計的工程互補 DNA (cDNA) 寡核苷酸，這些寡核苷酸被稱為與特定熒光標記的 RNA 分子雜交的探針，并且可以同時檢測到不同已知轉(zhuǎn)錄本的表達。郭等人他們的分析重點是 2 個肺癌細胞系（NCI-H446 細胞與 A549 細胞）中 143 個基因的表達，這些細胞系對單次 5 Gy 劑量的伽馬射線具有不同的放射敏感性。與放射敏感性 NCI-H446 細胞相比，在放射抗性 A549 細胞系中，參與 DNA 修復機制的基因XRCC5、ERCC5、ERCC1、RAD9A、ERCC4和MDM2 的表達顯著增加。作者認為，這個基因列表可能有助于使抗輻射肺腫瘤敏感。

執(zhí)行下一代 RNA 測序 (RNA-seq)，已經(jīng)對整個細胞群中響應 IR 的基因表達改變進行了廣泛的研究。在尋找癌細胞對 IR 反應的預測因子時，Young 等人采用 RNA-seq 方法分析放射敏感性 LNCaP 和放射抗性 PC-3 前列腺癌細胞中的基因表達。他們在高能 X 射線照射后 24 小時在兩種細胞系中確定了兩條具有相反反應的典型途徑：DNA 修復途徑（LNCaP 中BRCA1、RAD51和FANCG的下調(diào)以及 PC-3 細胞中相反的模式）和細胞周期DNA復制途徑的控制（ORC1、CDC6的下調(diào)和在PC-3細胞中具有對比模式的MCM基因）。在另一項研究中，人類神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞中的整體基因表達在暴露于導致生長停滯的伽馬射線劑量后進行了檢測。結果表明，促凋亡信號分子的失活和抗凋亡基因的晚期激活可能有助于膠質(zhì)瘤的放射抗性。深度測序用于描繪人類乳腺癌細胞對 IR 的轉(zhuǎn)錄反應的不同層。這項研究確定了對 IR 有反應的蛋白質(zhì)編碼基因和以前未識別的非編碼基因。因此，RNA-seq 允許對整個轉(zhuǎn)錄組進行完整測序，而微陣列僅通過探針雜交分析預定義的轉(zhuǎn)錄本。在 RNA-seq 中，來自基因和基因變體（例如，剪接異構體）的純化 RNA 被直接測序（無需探針的幫助）。因此，雖然微陣列和 RNA-seq 都可以顯示大量差異表達的基因，但 RNA-seq 揭示了對更廣泛基因表達的無偏篩選，具有更高的特異性和敏感性，包括新的、編碼的和非編碼的轉(zhuǎn)錄本。微陣列。

上一節(jié)中描述的批量 RNA-seq 分析通常測量細胞混合物中的轉(zhuǎn)錄物，這允許僅測量細胞群中的平均轉(zhuǎn)錄物表達。這種傳統(tǒng)的測序方法無法分析稀有人群中發(fā)現(xiàn)的少量細胞，也會丟失細胞異質(zhì)性信息。單細胞 RNA 測序 (scRNA-seq) 是一種創(chuàng)新的 NGS 方法，能夠以單細胞分辨率測量整個轉(zhuǎn)錄組，并有助于了解單個細胞在其自然微環(huán)境中的轉(zhuǎn)錄電路的變化。在兩項不同的研究中使用 scRNA-seq 方法來研究食管鱗狀細胞癌細胞 (ESCC) 的獲得性放射抗性。同樣，使用條形碼 Smart-seq2 技術對乳腺癌細胞系 MDA-MB-231 進行和不進行 IR 處理的 scRNA-seq 揭示了對 IR 誘導的 DNA 損傷的異質(zhì)細胞反應。scRNA-seq 數(shù)據(jù)分析還確定了輻射敏感性的潛在生物標志物，包括參與 DNA 復制的MCM3、MCM4和SLBP基因。因此，單細胞測序技術有能力描繪不同癌癥類型對 IR 的異質(zhì)反應，從而改善治療選擇。

然而，盡管這些平臺已經(jīng)幫助識別了許多與放射敏感性有關的基因，但確切的機制仍不清楚。要了解該機制，先進步也是賊重要的一步是檢測人群中的確切基因組變異。知道確切位置將允許探索轉(zhuǎn)錄因子結合位點和受影響的調(diào)節(jié)因子。然而，當表型受多個基因（多基因模式）影響時，這是具有挑戰(zhàn)性的，與孟德爾模型相反，孟德爾模型的疾病是由常染色體或性染色體上的單個基因突變引起的。放射敏感性是一種數(shù)量多基因性狀，是細胞途徑之間相互作用的產(chǎn)物。出于這個原因，使用全基因組關聯(lián)研究 (GWAS) 是合適的，該研究已成功繪制出與疾病風險相關的復雜性狀相關的數(shù)千個基因座和 DNA 序列變異。

3.2. 全基因組關聯(lián)研究（GWAS）

GWAS 檢查以單核苷酸突變形式呈現(xiàn)的變異。當這些突變的頻率超過人口的 1% 時，它們被稱為單核苷酸多態(tài)性 (SNP)。在 SNP 的首批臨床研究之一中，Kerns 等人使用 GWAS 方法研究與勃起功能障礙相關的遺傳變異，作為前列腺癌患者放射治療 (RT) 后正常組織損傷的指標。從 512,497 個 SNP 的高通量分析中，rs2268363 位于編碼產(chǎn)物影響雄性性腺發(fā)育和功能的基因（FSHR基因），與 RT 的長期副作用的發(fā)展密切相關。這有力地支持了使用 GWAS 方法探索正常細胞遺傳易感性與輻射損傷之間關聯(lián)的可行性。

此外，雖然輻射誘發(fā)的生殖系突變或受輻射父母子女的遺傳性疾病仍未得到證實，但已確定人類體細胞放射敏感性性狀可遺傳的有力證據(jù)。為了發(fā)現(xiàn)影響放射敏感性的基因和 SNP，Zyla 等人使用 GWAS 方法對人類雙胞胎進行基因組分析，結果表明，響應輻射的CDKN1A （細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑 1A）表達中約有 66% 是可遺傳的。CDKN1A編碼蛋白質(zhì) p21，p53 的下游效應子，是 DNA 損傷后細胞周期調(diào)節(jié)和停滯的關鍵調(diào)節(jié)因子之一。CDKN1A異常表達與對輻射的急性敏感性有關。此外，GWAS 允許鑒定與CDKN1A表達顯著相關的 SNP（即 rs205543（ETV6基因）、rs2287505 和 rs1263612（KLF7基因）參與CDKN1A轉(zhuǎn)錄因子、rs6974232（RPA3基因）、rs1133833（AKIP1基因）、和 rs17362588（CCDC141基因）是參與 DNA 錯配和 RNA 修復的基因（總結于表1)。

表格1:對當前抗輻射研究的摘要。

此外，黑腹果蠅遺傳參考小組 (DGRP) 是一個有價值的平臺，它允許對影響特定數(shù)量性狀的潛在基因、多態(tài)性或途徑進行 GWAS 和作圖分析。使用這個模型，Vaisnav 等人發(fā)現(xiàn)了九個果蠅基因（如下所列并總結于表1) 與可能參與抗輻射的人類同源物。此外，作者發(fā)現(xiàn)了 32 個與輻射抗性相關的 SNP（在p < 10 ^-5時，在p < 10 ^-6時有兩個 SNP）。在這些新的抗輻射候選者中，九個具有人類同源物，其功能實際上不參與修復 DNA 損傷，突出了輻射抗性特征的其他機制的潛力：人類同源蛋白 ATP5J（ATP 合成），SLC 家族 35 成員 E1 （膜轉(zhuǎn)運蛋白）、凝血因子 II（凝血）、E3 泛素連接酶/SMURF2（泛素化）、蛋白質(zhì) VPRBP（細胞周期、端粒酶調(diào)節(jié)和組蛋白修飾）、轉(zhuǎn)錄因子 GATA-4（胚胎發(fā)生、心肌分化）、肌張力障礙/大皰性類天皰瘡抗原 1（細胞粘附）、LTrpC3/melastatin-2（鈣信號傳導和體內(nèi)平衡）和 5'-核苷酸酶前體（腺苷產(chǎn)生）。

為了構建更正確和有效的多基因風險模型，Oh 等人使用了數(shù)百個 SNP，并開發(fā)了一種稱為預處理隨機森林回歸的機器學習算法，即使對于小的差異風險 也能發(fā)出信號。通過將這種新方法應用于在單個機構接受放療的 368 名前列腺癌患者的 GWAS 隊列數(shù)據(jù)集，該團隊能夠識別假陽性 SNP 并評估每個 SNP（每個 SNP 的關鍵生物學功能）在誘發(fā)放射性毒性結果。然而，GWAS 方法具有 Cano-Gamez 等人已經(jīng)明確討論過的缺點。。一個主要的挫折可能是缺乏對基因組非編碼區(qū)域中疾病相關基因座的作用的理解。由于它們在不同細胞類型或生理環(huán)境中基因表達調(diào)控中的作用仍不清楚，將 GWAS 研究結果轉(zhuǎn)化為臨床干預可能效率不高。此外，在 GWAS 或上述其他方法中找到的候選者需要進行功能驗證。為了實現(xiàn)這一目標，RNAi 和 CRISPR-Cas9 等功能基因組學技術是分析基因功能的強大工具。

3.3. 全基因組 RNAi 篩選方法

RNA 干擾是一種強大的方法，用于對特定表型中涉及的關鍵調(diào)節(jié)因子和關鍵途徑進行功能喪失遺傳篩選。該方法已被用于敲除特定基因以研究癌細胞的放射敏感性。例如，Wang 等人使用全基因組 RNAi 篩選來尋找結直腸癌細胞（HCT116 和 HCT15 細胞）中的放射抗性基因。發(fā)現(xiàn)RFC4敲低顯著減輕 X 射線誘導的 DNA 損傷修復并增強細胞凋亡。RFC4 基因編碼的蛋白質(zhì)通過非同源末端連接 (NHEJ) 介導的途徑促進結直腸癌細胞中的細胞 DNA DSB 修復，因此 RFC4 上調(diào)與腫瘤進展相關（總結于表1)。此外，還有五個基因，包括 NCAPH（凝聚素復合物的調(diào)節(jié)亞基）、SYNE3（機械力在核包膜以及核運動和定位中的傳遞）、LDLRAD2（受體介導的內(nèi)吞作用）、NHP2（核糖體生物發(fā)生所必需的）和端粒維持）和FICD（ATP結合活性）也被確定為潛在的候選放射抗性基因。

赫爾等人使用相同的方法找到響應 IR 的同源重組修復 (HRR) 特異性因子。由于在 HRR 過程中將使用完整的姐妹染色單體模板，因此該途徑為 DSB 提供了更正確和無錯誤的修復（與 NHEJ 途徑相比）。作者將 CDC73（一種由HRPT2抑癌基因編碼的蛋白質(zhì)）鑒定為 HRR 的新調(diào)節(jié)因子。通過與 H2B 和 H3 的核心組蛋白相互作用，CDC73 優(yōu)化了 DSB 周圍的染色質(zhì)重塑，并支持 DNA 對下游修復元件和事件的可及性（總結于表1)。范哈夫滕等人將線蟲秀麗隱桿線蟲暴露在 60 Gy 的輻射下，并使用全基因組 RNAi 技術鑒定了保護種系免受 DNA DSB 侵害所必需的八個基因。有趣的是，這些新發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)基因具有已知的人類直系同源物（即Y65B4BR.4A（人類：WWP2）、H19NO7.2a（人類：USP7、HAUSP）、Y41C4a.10（人類：TCEB2）、Y67D8C.5（人類：UREB1、LASU1）和C52D10.9（人類：SKP1A)) 預計將通過泛素化功能在蛋白質(zhì)的靶向降解中發(fā)揮作用。RAD51、組蛋白、CDC25A 和 p53，都在 DSB 反應中發(fā)揮作用，受泛素化調(diào)節(jié)。這一觀察結果支持了某些蛋白質(zhì)通過蛋白酶體活性激活或調(diào)節(jié) DSB 反應途徑的觀點（總結于表1)。敲除這些基因提高了對電離輻射的敏感性并增強了染色體不分離。在另一項研究中，van Haaften 等人通過鑒定更多基因來擴展他們的數(shù)據(jù)，這些基因是 DNA 損傷反應和 RNA 加工和運輸中的活性因子，這些基因有助于提高秀麗隱桿線蟲中生殖細胞的放射敏感性。此外，發(fā)現(xiàn)新基因在整個動物進化過程中高度保守。在與人類同源基因中，已觀察到ATM、ITGA6、NIPBL、NOB1、CAND1/TIP120、WWP2和TopBP1 （總結在表1)。

盡管無論靶基因拷貝數(shù)如何，RNAi 都是通過下調(diào) mRNA 水平的基因表達來進行全基因組篩選的強大工具，但其脫靶效應也是不可避免的。事實上，通過 RNAi 抑制基因表達可能不是有效的，這可能只會導致部分敲低。CRISPR 介導的基因編輯技術有效地解決了 RNAi 的許多這些缺點。

3.4. 全基因組 CRISPR-Cas9 篩選方法

從細菌免疫系統(tǒng)中采用的成簇規(guī)則間隔短回文重復序列 (CRISPR)-Cas 相關蛋白 9，稱為 CRISPR-Cas9，是一項有效改變基因組編輯和基因治療的新技術。CRISPR-Cas9 系統(tǒng)包含兩個生物組件：RNA 引導的 DNA 內(nèi)切核酸酶 Cas9 和嵌合單引導 RNA (sgRNA)。sgRNA 加載到 Cas9 上，并通過堿基配對定向到 DNA 靶標上的 20 bp 區(qū)域。對于功能性基因編輯，目標 DNA 必須緊接在 5' NGG 序列之前（N 是任何核苷酸），稱為 protospacer 相鄰基序 (PAM)。Cas9 通過重定向到其目標區(qū)域在目標基因組位點誘導 DSB 來促進基因組編輯。然后細胞機制通過 NHEJ 或 HRR 途徑修復 DNA DSB。

該技術已被應用于研究幾種基因（例如，Hsp70、骨橋蛋白和 HIF-1/2α）作為不同細胞系中放射抗性或放射敏感性特征的關鍵調(diào)節(jié)因子影響。為了開發(fā)一種綜合方法并研究結直腸癌 (CRC) 細胞（RKO、HCT116 和 SW620）中的放射抗性調(diào)節(jié)因子，Yu 等人在陰性選擇篩選中應用基因組規(guī)模的 CRISPR sgRNA 文庫來鑒定抗輻射候選基因。他們發(fā)現(xiàn) DNA 聚合酶 α 2 (POLA2)、含有自由基 S-腺苷甲硫氨酸結構域 2 (RSAD2) 和 microRNA5197-5p (miR-5197) 在 IR 暴露后具有賊顯著的倍數(shù)變化。然而，進一步的研究表明，與其他候選基因相比，miR-5197 的過表達在更大程度上損害了放射抗性。通過抑制細胞周期調(diào)節(jié)蛋白 CDK6 的表達并促進 G1/S 期細胞周期停滯，miR-5197 有助于 IR 誘導的 CRC 細胞凋亡（總結于表1)。然而，作者強調(diào)需要用體內(nèi)模型進行進一步研究來證明他們的發(fā)現(xiàn)。Ziyan 等人新穎在鼻咽癌 (NPC) 細胞中使用全基因組 CRISPR-Cas9 sgRNA 文庫，并對在陰性篩選中獲得的 sgRNA 進行高通量測序。發(fā)現(xiàn) 9 個基因參與 NPC 細胞的放射敏感性或放射抗性。五個基因（BLN5、FAM3C、MUS81、DNAJC17 和 CALD1）被認為是放射敏感性調(diào)節(jié)劑，而四個基因（CDKN2AIP、SP1、TOMM20和SNX22）似乎是潛在的放射抗性基因（總結在表1）。此外，對 KEGG 數(shù)據(jù)庫的富集分析表明，這些基因通過范可尼貧血通路和 TGF-β 信號通路導致 NPC 的放射敏感性或放射抗性。通過 CRISPR/Cas9 高通量篩選和負選擇可能與 NPC 的放射抗性有關的關鍵基因，Shen 等人還證明了LUC7L2的過表達通過自噬過程有助于放射抗性。LUC7L2 是一種 RNA 結合蛋白，尚未得到充分研究，僅在賊近幾年才被表征。

海曼等人使用電離輻射處理作為正選擇壓力，在 HNSCC 細胞系中進行了全基因組 CRISPR-Cas9 篩選，以確定輻射敏感性的調(diào)節(jié)因子。多輪輻照后富集的 sgRNA 的陽性篩選和 NGS 表明，刺激物或干擾素基因（稱為 STING，一種與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關的信號分子）的激活會影響 HNSCC 細胞的輻射反應。他們進一步表明，STING 的藥理學激活可增強體內(nèi)電離輻射的作用，并且可能是增強 HNSCC 患者放射治療反應的有前景的方法（總結于表1）。在一項有趣的研究中，朱等人進行了全基因組 CRISPR 激活篩選，并確定鈣調(diào)節(jié)熱穩(wěn)定蛋白 1 (CARHSP1) 是參與人膠質(zhì)母細胞瘤細胞放射抗性特征的必需元素（總結于表1)。由于其冷休克結構域，CARHSP1 具有與單鏈 RNA、單鏈 DNA 或雙鏈 DNA 的多嘧啶區(qū)域結合的能力。因此，CARHSP1 可以與 DNA 結合并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄終止率，但它也具有調(diào)節(jié) RNA 穩(wěn)定性、mRNA 降解和核糖體翻譯的潛力。有趣的是，CARHSP1 增強了腫瘤壞死因子-α (TNF-α) 的 mRNA 穩(wěn)定性，這是一種關鍵的多效性細胞因子和關鍵的炎癥分子。有了這些信息，朱等人表明升高的 CARHSP1 水平與通過 CARHSP1/TNF-α 通路信號傳導的膠質(zhì)母細胞瘤細胞的放射抗性相關。程等人在 A549 肺癌細胞中使用無偏見的全基因組 CRISPR/Cas9 敲除策略，并確定 plakophilin 2 (PKP2) 是肺癌細胞抗輻射的關鍵驅(qū)動因素。程等人新穎表明甲基化 PKP2 蛋白促進 NHEJ 并增加肺癌的放射抗性。PKP2 的精氨酸甲基化由蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶-1 (PRMT1) 介導。因此，PRMT1 抑制也可能是使肺癌放射增敏的一種有吸引力的方法。

總而言之，這些研究表明，CRISPR/Cas 技術的應用提供了一個無偏見的全局篩選以及參與 IR 誘導反應的基因和途徑的綜合圖譜。

4.  放療基因組學會的討論意見

基因表達譜描述了同時測量許多基因或整個基因組的表達。它可以通過使用兩個主要平臺評估 mRNA 水平來完成：微陣列和 RNA-seq。追蹤在不同環(huán)境（例如，環(huán)境或壓力因素）中維持的不同細胞類型中差異表達的轉(zhuǎn)錄物譜給出了基因型與特定表型之間關聯(lián)的圖譜。與僅可以評估已知基因序列的表達的微陣列相比，RNA-seq 提供了“從頭”讀數(shù)，其中參考基因組或感興趣序列的先驗知識不可用。然而，對于基因組具有多基因模式的表型，GWAS 放大了核苷酸變異和 SNP，以提供與復雜性狀相關的 DNA 序列的正確讀數(shù)。此外，強大的基因組工具（如 RNAi 和 CRISPR-Cas9）已實現(xiàn)對基因功能的全面分析。

RNAi 通過敲低基因的 mRNA 使基因沉默，而 CRISPR 通過靶向 DNA 序列產(chǎn)生基因敲除。盡管基于 RNAi 的篩選有助于破譯指導細胞放射敏感性的元素，但 RNAi 的實用性受到不完善的 mRNA 敲低、混淆脫靶效應（引入噪音）的阻礙；這使得解釋表型變化變得困難，并將方法限制在轉(zhuǎn)錄基因上。此外，RNA 的引入可能會引發(fā)免疫反應。CRISPR-Cas9 技術通過對 DNA 進行靶向修飾以實現(xiàn)有效基因敲除，有效地解決了許多這些限制，從而改變了基因編輯技術的格局。此外，

遺傳擾動研究中的正篩選和負篩選都已用于輻射研究；但是，屏幕的目的和結果是不同的。負篩選用于尋找導致輻射抗性的基因，而正篩選用于尋找導致輻射敏感性的基因。在陰性篩選方法中，CRISPR 編輯的癌細胞接受亞致死劑量的輻射（可能殺死約 20% 的細胞）。與對照（CRISPR編輯但未用輻射處理）細胞相比，靶向參與介導輻射抗性的基因的sgRNA隨著時間的推移從群體中耗盡。在積極的屏幕上，CRISPR 編輯的細胞用致命劑量的輻射處理，使得靶向參與介導輻射敏感性的基因的 sgRNAs 在群體中隨著時間的推移而富集，并且可以在測序時被識別?？梢酝瑫r進行陽性和陰性篩查，以分別使用特定的輻射劑量來識別放射抗性和放射敏感性的調(diào)節(jié)劑。此外，CRISPR 是一種多功能工具，不僅可以進行功能喪失篩選，還可以進行功能獲得篩選。CRISPR-Cas9 的功能增益應用基于使用與轉(zhuǎn)錄激活劑融合的無核酸酶 Cas9 蛋白 (dCas9)，能夠快速有效地增加靶內(nèi)源基因的表達。類似地，可以通過將 dCas9 與轉(zhuǎn)錄抑制因子融合來執(zhí)行 CRISPR 抑制。

放射抗性和放射敏感性的全基因組研究都是在二維 (2D) 細胞培養(yǎng)中進行的，這與腫瘤或正常組織的微環(huán)境不同。例如，二維癌細胞培養(yǎng)模型缺乏腫瘤細胞的關鍵特征，例如氧分壓、細胞間接觸改變、細胞基底膜粘附和重編程代謝。盡管二維細胞培養(yǎng)中的功能基因組學已經(jīng)產(chǎn)生了豐富的信息并發(fā)現(xiàn)了新的調(diào)節(jié)因子，但它們往往未能反映體內(nèi)的關鍵方面。例如，在 DepMap（一個使用基因組規(guī)模的 CRISPR 篩選在數(shù)百個細胞系中發(fā)現(xiàn)癌癥驅(qū)動因素的項目）中，前 1000 個命中中 <1% 顯示出積極的生有效應。此外，即使在二維結構中維持的癌細胞中已知的腫瘤抑制基因失活，也常常導致陰性表型。因此，對在三維 (3D) 培養(yǎng)系統(tǒng)中生長的細胞進行全基因組篩選與體內(nèi)腫瘤微環(huán)境非常相似，是非常可取的。韓等人研究了 3D 肺癌球體模型中的全基因組 CRISPR 篩選，發(fā)現(xiàn)癌細胞的敏感性不同于單層 2D 培養(yǎng)物的敏感性。由于 3D 球體模型更正確地概括了體內(nèi)腫瘤的微環(huán)境，Han 等人在使用 CRISPR 篩選時利用了這個模型（總結在表1)。此外，利用 CRISPR-Cas9 和 3D 細胞球體培養(yǎng)相結合的優(yōu)勢，Lan 等人檢測到 DYRK1A 作為胰腺癌細胞放射治療的敏感靶標?；蛘?，可以在與生理條件相匹配的不同氧氣和代謝條件（例如缺氧或低葡萄糖）下進行全基因組篩選以鑒定必需基因。

此外，為了獲得放射增敏和放射抗性基因的綜合圖譜，必須整合響應各種輻射劑量的遺傳、轉(zhuǎn)錄和翻譯數(shù)據(jù)集。盡管一些研究人員已經(jīng)表明輻射誘導的基因表達高度依賴于單個細胞的基因型，但有證據(jù)表明，在翻譯水平進行評估時，輻射誘導的基因表達與組織類型依賴性顯著相關[64, 65]。 斯塔克豪斯等人生成膠質(zhì)母細胞瘤 (GBM) 患者衍生異種移植物 (PDX) 模型，并應用新的生物信息學管道分析表型、轉(zhuǎn)錄組和全局激酶組（功能蛋白質(zhì)組）概況。通過進行全外顯子組測序 (WES) 和深度 RNA-seq，作者提出，放射治療抗性等表型變化不僅在基因組水平上介導，而且主要在表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄后和翻譯后水平上介導。

此外，迄今為止進行的基因篩查研究一直在使用 HDIR 來提高放射治療的有效性，例如，如何提高癌癥組織的放射敏感性。這與人們經(jīng)常暴露的對 LDIR 的放射敏感性形成對比。此外，LDIR 不具有 HDIR 所具有的選擇壓力，并且響應 LDIR 的確切細胞應激誘導機制和途徑尚不清楚。為了在 LDIR 的背景下找到正確的報告基因（例如 DNA 修復報告基因），CRISPR-Cas9 也可以成為一種強大的工具，可以全面分析 LDIR 暴露后激活的關鍵分子和途徑。

基因組編輯的賊新進展使得能夠在不破壞 DNA 的情況下編輯 SNP，為研究與特定表型或疾病相關的遺傳變異開辟了新途徑。例如，新一代堿基編輯器腺嘌呤堿基編輯器 (ABE) 能夠在活細胞中的目標位點直接突變，而不會激活 DSB 損傷反應 。該方法優(yōu)化了不需要的等位基因向納米致病等位基因的轉(zhuǎn)化，并以賊小的基因毒性影響實現(xiàn)了表型拯救[。使用主要編輯器系統(tǒng)，例如主要編輯指南 (pegRNA)，可以在目標位點執(zhí)行任何局部突變和所需編輯（多達幾十個堿基對）。使用這些方法可以避免 CRISPR 基因剪刀技術的一些缺陷，包括不受控制的編輯結果混合、p53 激活和更大的 DNA 重排，使它們在放射防護和放射敏感性研究的背景下成為安全和正確的方法。

總之，通過擴大我們對放射遺傳學和細胞放射敏感性所涉及的機制的理解，我們可以識別出可以預測臨床結果的基因。有了這樣的預測，可以考慮對容易出現(xiàn)超放射敏感性的患者進行替代治療。此外，如果在特定人群亞群中發(fā)現(xiàn)了相當大的風險差異，則可以提出更量身定制的保護系統(tǒng)來保護特定個體。

其他支持本文內(nèi)容的科技文獻：Int J Mol Sci . 2022 Aug 7;23(15):8774. doi: 10.3390/ijms23158774. Identification of Novel Regulators of Radiosensitivity Using High-Throughput Genetic Screening