Science | 细胞特异性染色质可及性解析脑疾病的遗传调控机制
文摘
科学
2024-06-20 00:00
湖北
全基因组关联研究 （GWAS） 已经确定了数百个遗传位点，这些基因位点与各种脑部疾病的风险增加有关，包括精神分裂症、阿尔茨海默病、双相情感障碍和重度抑郁症。然而，由于遗传变异之间的连锁不平衡，确定GWAS发现背后的分子机制仍然具有挑战性。此外，许多风险变异位于基因组的非编码区域，这些区域富含调节元件，表明这些变异影响基因表达而不是蛋白质结构和功能。通过研究表达数量性状位点 （eQTL），尤其是细胞类型特异性 eQTL，已经确定了基因表达和脑疾病性状之间共有的遗传调控信号。然而，对驱动介导疾病风险的分子性状变异的细胞类型特异性调控过程的理解仍然有限。
调控序列，包括启动子、增强子、绝缘子和转录沉默子，在开放染色质区域 （OCR） 中富集。重要的是，影响染色质可及性的遗传变异反过来可以通过破坏这些调控元件的功能来激活或抑制基因表达。由于染色质状态与转录活性的调控直接相关，因此给定位点内共定位染色质可及性QTL（caQTL）和eQTL信号的存在可以揭示功能调节元件，将风险变异与致病基因和疾病过程关联起来。寻找与疾病相关的调控元件，特别是那些具有细胞类型特异性效应的调控元件，可能为识别一系列神经精神病学和神经退行性疾病的治疗靶点提供手段。
2024年5月24日，来自美国西奈山伊坎医学院的PANOS ROUSSOS等团队合作在国际顶级期刊《Science》上在线发表了题为“Genetic regulation of cell type–specific chromatin accessibility shapes brain disease etiology”的研究论文。该研究对616个供体的四个不同的大脑区域分离的神经元和非神经元细胞特异类型开展ATAC-seq检测，构建了1932个染色质可及性图谱，整合等位基因特异性染色质可及性 （ASCA）、eQTL 和 caQTL 共定位以及精细定位方法揭示了脑部疾病风险变异的假定分子机制。![]()
该研究以临床上616个供体大脑为研究对象，收集样本分别来源：CMC（ CommonMind Consortium）中的精神分裂症（SCZ）和双相情感障碍（BD）病患及神经典型对照样本的背外侧前额叶皮层（DLPFC）、前扣带回皮层 （ACC）特定组织，AMP-AD（Accelerating Medicines Partnership Alzheimer’s Disease）队列中阿尔茨海默（AD）病患和神经典型对照样本的颞上回（STG）和海马旁回（PHG）特定组织。利用神经元标记物NeuN通过荧光激活核分选（FANS）纯化细胞核，并使用ATAC-seq检测神经元（NeuN+）和非神经元（NeuN+）细胞核中的染色质可及性，共采集到1932个数据（不同脑疾病中的四个不同组织两种不同类型细胞）。由于神经元与非神经元细胞之间的遗传调控差异主要在于caQTL的变异结果，因此研究首先进行了每种细胞类型内的固定效应meta分析，同时统计了每个供体的重复性。在神经元和非神经元中检测到的34,539个caQTL中，只有10.4%在细胞类型之间共享，这支持了大脑不同类型细胞特异性OCR的遗传调控。同时，前期单核ATAC-seq鉴定的OCR先导caQTL变异的富集结果，支持细胞类型强特异性遗传调控程序。随后，研究利用统计精细定位、eQTL 和 caQTL 共定位以及等位基因特异性染色质可及性，结合3D基因组E-P互作机制，利用ABC法（activity-by-contact）模型可以预测细胞类型特异性遗传调控位点。例如，位于chr5:151,022,196-151,023,206的OCR，神经元中的caQTL信号与脑匀浆中鉴定的GPX3的遗传调控共定位。结合上述模型预计该OCR通过增强子-启动子链接与基因的转录起始位点（TSS）相互作用，联合统计精细定位确定了单个候选因果变异rs4958872，该变异破坏了基因组中的CpG位点。![]()
图3 多分子特征共享的遗传调控
接下来，研究进一步整合了来自神经元和非神经元的精细定位caQTL变异与许多性状位点的风险变异，包括神经精神和神经退行性疾病，可以确定介导疾病风险变异影响的潜在分子机制。将caQTL和eQTL结果与来自六种脑部疾病的GWAS结果相结合，研究鉴定了98个caQTL-eQTL-GWAS三联体共定位和53个没有共享eQTL信号的caQTL-GWAS共定位。应用上述ABC模型，确定了11个三联体共定位区域具有增强子-启动子相互作用的长距离驱动基因调控机制。例如，神经元类型细胞特异性三联体RAB27B，一种参与突触传递的鸟苷三磷酸酶，在MDD的分子病因学中紧密关联。三个位点精细定位分析发现SNP rs3764512为最佳潜力位点，它位于神经元基因TSS区域的OCR中。最后，研究通过使用大规模并行报告基因测定（MPRA）测试人类诱导的多能干细胞衍生兴奋性神经元中19,893个潜在致病变异的功能影响，确定了476个具有等位基因效应的变异。在全基因组范围内，研究发现基于神经元染色质可及性的注释变异，以及来自脑匀浆的神经元caQTL和eQTL的统计精细定位，可用于预测MPRA中的等位基因倍数变化。MPRA在变体rs3764512中发现了等位基因效应，预计该效应会增加神经元中局部染色质的可及性，增加RAB27B的表达，并增加患重度抑郁症的风险。MPRA表明该等位基因增加了转录活性，并为这些预测提供了实验支持。总的来说，本研究提出了一个全面的细胞类型特异性的遗传调控目录，呈现了人脑调控组变化，它阐明了神经精神病学和神经退行性疾病背后的细胞类型特异性分子机制。该研究强调了一种从大规模GWAS的统计关联转向功能验证的变异和疾病分子机制的方法。原文链接：https://doi.org/10.1126/science.adh4265
