世界视觉日|基因测序技术在眼科领域的应用

经典案例1  多组学分析揭示外伤性增生性玻璃体视网膜病变中RANK-NFATc1信号被增强激活

Multi-omics profiling of retinal pigment epithelium reveals enhancer-driven activation of RANK-NFATc1 signaling in traumatic proliferative vitreoretinopathy^[1]

发表期刊：Nature Communications

影响因子：14.7

发表时间：2024年

研究物种：人和小鼠

研究方法：ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq等

在眼外伤引起的增殖性玻璃体视网膜病变（PVR）进展过程中，原本处于静止状态的视网膜色素上皮（RPE）细胞转变为快速增殖、迁移和分泌的状态。这些变化背后的分子机制一直是个谜，阻碍了有效药物治疗的研发，成为一项紧迫的临床挑战。在本次研究中，通过监测染色质可及性和多种组蛋白修饰的动态变化，本研究绘制了雄性小鼠创伤性PVR中RPE细胞的全面表观遗传学图谱。结合转录组学分析揭示了增强子激活与PVR相关基因表达上调之间的强相关性。此外，通过构建转录因子调控网络，作者发现随着PVR的进展，增强子驱动的RANK-NFATc1通路异常激活这一现象。重要的是，本研究证明了包括抑制增强子活性的纳米药物在内，靶向NFATc1的基因疗法以及针对RANK通路的抗体治疗等眼内干预措施能有效抑制PVR进展。总的来说，本研究结果阐明了RPE细胞命运转变过程中PVR相关基因激活的表观遗传学基础，并为靶向表观遗传调控和RANK-NFATc1轴的PVR治疗提供了有前景的途径。

经典案例2  组蛋白乳酸化增强的ALKBH3通过SP100A的m1A去甲基化作用促进眼黑色素瘤进展并减少早幼粒细胞白血病蛋白核体凝集

Histone lactylation-boosted ALKBH3 potentiates tumor
progression and diminished promyelocytic leukemia
protein nuclear condensates by m1A demethylation of
SP100A^[2]  

发表期刊：Nucleic Acids Research

影响因子：16.6

发表时间：2024年

研究物种：人和小鼠

研究方法：ChIP-seq、CUT&Tag、RNA-seq、MeRIP-seq等

尽管N1-甲基腺苷(m1A) RNA修饰是RNA代谢的重要调节因子，但m1A修饰在癌变中的作用仍然不清楚。本研究发现组蛋白乳酸化增强了ALKBH3的表达，并通过去除SP100A的m1A甲基化，削弱了肿瘤抑制性早幼粒细胞白血病蛋白(PML)凝集体的形成，同时促进了癌症的恶性转化。首先，由于过度的组蛋白乳酸化水平，高风险眼黑色素瘤中特异性上调了ALKBH3，导致m1A低甲基化状态。此外，多重组学分析随后确定SP100A作为PML小体的核心组成部分，是ALKBH3的下游候选靶标。从治疗的角度来看，沉默ALKBH3在体外和体内的黑色素瘤中表现出有效的治疗效果，这一效果可以通过耗竭SP100A来逆转。在机制上，本研究发现YTHDF1负责识别m1A甲基化的SP100A转录本的RNA，从而增加其RNA的稳定性和翻译效率。本研究首次证明m1A修饰对肿瘤抑制基因表达是必需的，扩展了对肿瘤进程中动态m1A功能的当前理解。此外，结果表明，由乳酸化驱动的ALKBH3对于PML核凝集体的形成是必不可少的，这联结了我们对m1A修饰、代谢重编程和相分离事件的认识。

经典案例3：人类视网膜的单细胞多组学揭示了转录因子在介导基因变异对基因调控的细胞类型特异性影响中的分层协同作用

Single ‑cell multiomics of the human retina reveals hierarchical transcription factor collaboration in mediating cell type‑specifc efects of genetic variants on gene regulation^[3]

发表期刊：Genome Biology

影响因子：10.1

发表时间：2023年

研究物种：人

研究方法：snRNA-seq、snATAC-seq、全基因组测序等

系统性描述基因变异如何在特定细胞类型背景下调控基因表达对于理解复杂性状至关重要。为了解决这个问题，本研究通过单细胞多组学和基因组测序分析了20名健康人类供体视网膜细胞的基因表达和染色质可及性。本研究发现在主要的视网膜细胞类型中绘制eQTL、caQTL、等位基因特异性表达和等位基因特异性染色质可及性图谱。通过整合这些结果，作者识别并描述了在特定细胞类型中对基因调控有效的调控元件和基因变异。大多数识别出的sc-eQTL和sc-caQTL显示出细胞类型特异性效应，而包含细胞类型特异性效应基因变异的顺式元件通常在多种细胞类型中是可及的。此外，在受基因变异影响的细胞类型中，转录因子的表达水平往往高于无影响的细胞类型。本研究进一步通过高通量报告基因实验验证了本研究的发现。总体而言，基因调控的遗传效应在很大程度上依赖于上下文。结果表明，细胞类型依赖的遗传效应是通过精确调节转录因子表达和顺式元件的染色质可及性驱动的。本研究发现表明，转录因子之间的层级协作在介导基因变异对基因调控的细胞类型特异性效应中起着关键作用。

经典案例4：大规模多性状全基因组关联分析确定了数百个青光眼风险位点

Large-scale multitrait genome-wide association analyses identify hundreds of glaucoma risk loci^[4]

发表期刊：Nature Genetics

影响因子：30.8

发表时间：2023年

研究物种：人

研究方法：外显子测序等

青光眼是导致不可逆失明的主要原因之一，是一种具有高度遗传性的疾病。之前的全基因组关联研究已经确定了100多个与最常见形式——原发性开角型青光眼相关的基因位点。两个关键的青光眼相关特征也表现出高度的遗传性：眼内压和视神经头凹陷损伤量化为垂直杯盘比。由于青光眼的遗传性很大程度上尚未得到解释，本研究在欧洲血统参与者中进行了一项大规模的全基因组关联研究，结合了原发性开角型青光眼及其两个相关特征进行研究（总样本量超过60万），显著增强了基因发现的能力（263个位点）。本研究通过采用多族裔的方法进一步提高了我们的能力，将独立风险位点的数量增加到312个，其中绝大多数在23andMe公司提供的大型独立队列中得到了验证（总样本量超过280万人；296个位点在P<0.05的水平下被验证，240个位点在Bonferroni校正后被验证）。利用多组学数据，本研究确定了许多潜在的药物靶点基因，包括可能通过视神经起作用的神经保护靶点，这是青光眼研究的一个重要进展，因为现有的所有药物都仅针对眼内压。本研究还使用孟德尔随机化和基于遗传相关性的方法，确定了与其他复杂特征的新关联性，包括多发性硬化和系统性红斑狼疮等免疫相关疾病。

经典案例5 小鼠的干眼症引发了不同于在稳态条件下持续更新的适应性角膜上皮再生

Dry eye disease in mice activates adaptive corneal epithelial regeneration distinct from constitutive renewal in homeostasis^[5]

发表期刊：PNAS

影响因子：11.1

发表时间：2023年

研究物种：小鼠和人

研究方法：单细胞转录组测序等

许多上皮组织在稳态中经历持续更新，但在受伤后会激活独特的再生反应机制。角膜上皮对视力至关重要，并由角膜缘干细胞（LSCs）进行更新。通过单细胞RNA测序技术，本研究分析了小鼠角膜上皮在稳态、老化、糖尿病和干眼病（DED）条件下的转录组，其中泪液缺乏使角膜易于反复受伤。在稳态下，本研究捕捉到了实现持续组织更新的转录状态。利用本研究的数据集来识别候选基因和基因网络，这些基因和基因网络在稳态更新的关键阶段中具有特征，包括LSCs的标记。在老化和糖尿病中，仅有少于15个基因发生轻微变化。实现稳态更新的细胞类型在DED中被保留，但与“适应性再生”细胞状态的激活相关。本研究提供了区分稳态更新与适应性再生中细胞类型的总体标记，以及特定定义DED引发的增殖和分化细胞类型的标记。本研究验证了SPARC的表达，作为适应性再生的标记，它也在角膜上皮伤口愈合中被诱导，并在角膜上皮细胞划痕实验中加速伤口愈合。最后提出了一种基于在稳态和疾病中表达保真度的LSC标记分类系统。这种转录组解析揭示了DED中角膜上皮的转录景观发生了显著变化，为未来研究这些健康和疾病中的眼表干细胞提供了研究框架和参考图谱。

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