人類基因組序列20多年前已經基本測畢，但其功能至今仍然鮮為人知，基因組大體上仍然是一部天書，這已經成為疾病診療的一個巨大障礙。因此，在后基因組時代，生物醫學研究的一個主要目標便是破譯基因組（尤其是2萬個蛋白質編碼基因）的功能。實現這一目標的有效策略是對這些基因在每種細胞類型中的表達進行干擾，并描述這種擾動對細胞的直接、內在的影響，即繪制"擾動圖譜"（Perturb Atlas）。但不幸的是，現有的基因靶向方法很難適用于擾動圖譜的繪制。為了突破這個困境，作者開發了新一代小鼠基因打靶技術iMAP（inducible Mosaic Animal for Perturbation）。iMAP融合了2大底層技術：基于CRISPR-Cas9的基因編輯技術和基于Cre-loxP的基因重組技術。 

該技術的核心是一個由多達100個sgRNA編碼基因串聯而成的轉基因。這是一個新型的sgRNA文庫，其sgRNA平時不表達，但在藥物（他莫昔芬）的誘導下，轉基因發生重組，使100個sgRNA都得以在小鼠表達， 但每個細胞只隨機表達一個其中一個，后者募集Cas9敲除相應的靶基因，從而將小鼠轉化為嵌合體。嵌合鼠可用于普查100個基因在小鼠各種組織細胞的功能，從而繪制擾動圖譜，也可以通過簡單的配繁，衍生出上百個單基因敲除品系，從而大大降低其制備成本。

iMAP 的原理

該工作首先利用6個功能已知的基因，做了概念驗證實驗。結果顯示了iMAP的穩健性，而且顯示，軟件設計的sgRNA大多具有足夠的活性和高度特異性，提示可以只用一個sgRNA靶向每個基因。接下來作者構建了一個新品系，靶向90個功能大多未知的基因，并鑒定了這些基因對39種成年鼠組織細胞豐度（反映存活、增殖、分化）的影響，繪制了首張擾動圖譜。該圖譜提供了關于這些基因的豐富信息， 導致了一系列新發現 （例如發現Hdac7是腫瘤免疫療法高效靶點）。 這張擾動圖譜必將催生覆蓋全部基因和組織的“全景圖”，后者將有助破譯生命天書，并將成為生物醫學研究的重要分水嶺，因為它使得探索基因基本功能變得像查字典一樣簡單。 

iMAP有多個未來發展方向。首先，iMAP需要優化，因為每個品系只靶向100個目標基因， 而且在靜息細胞中，基因敲除效率較低 （這可能是Cas9本身的局限性）。其次，該研究使用sgRNA豐度作為iMAP擾動的readout。然而，單細胞水平的轉錄組學和表觀組學理論上都可作為readout，以更全面地揭示基因功能。此外，iMAP還可與基因敲除之外的其他CRISPR擾動形式相結合，包括基因沉默、激活和RNA降解，后者是探索非編碼RNA功能的理想技術。除了在健康小鼠中系統地繪制擾動圖譜，在疾病模型中進行的iMAP篩選可助力新藥靶點發現和老藥新用。最后，iMAP可能適用于小鼠以外的其他多細胞生物（包括植物）。

英文全文鏈接：

https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnac057

引用本文：

Yiwen Sun, Wenyanag Lin, Ravinder Kaundal, Tian Chi, iMAPping the Perturb-Atlas, Life Medicine, 2022;, lnac057, https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnac057