 ASD患者中启动子区域的de novo变异较多，发病详细情况不明 理化学研究所于1月27日宣布，利用世界上最大规模的泛自闭症（ASD）家族基因序列数据，对新生的变异“de novo变异”进行了全面解析。研究结果表明，在基因上游控制其表达的“启动子区域”的de novo变异，会导致基因组三维结构（TAD）内的相互作用变化导致基因表达异常，从而对疾病风险造成影响。 该研究是由该研究所脑神经科学研究中心分子精神病理研究小组的中村匠研究员、技术人员上田顺子、水野翔太特别研究员、高田笃组长等人组成的研究小组进行的。研究成果在线发表在《Cell Genomics》上。 ASD是一组神经发展障碍，主要症状为社会性沟通问题和有限的行为、兴趣、活动。最近美国的流行病学调查显示，大约2%的儿童被诊断为ASD。ASD是一种与遗传因素密切相关的疾病，大多数患者都是由多种基因变异复杂组合而成。 在遗传基因变异中，新生的变异（de novo变异）可以检测到患者本人，但不能检测到其父母，因为在进化过程中几乎不受自然选择，所以与发病有很大关系。 此前对患者的de novo变异研究显示，ASD患者不仅在蛋白质编码区域，在控制基因表达的区域（启动子区域）也存在de novo变异。但是，这种变异与发病相关的具体机制还不清楚。 5044个家族的全基因组数据 研究小组除了已报道的1902个家系之外，还使用Simons Powering Autism Research（SPARK）公开的3142个家系的全部基因组数据分析了de novo变异，挑战了在启动子区域的de novo变异对疾病风险的作用机制。对3142个家族进行了de novo变异分析，结果与之前的研究结果相同，ASD患者与未患病的兄弟姐妹在代诺子变异的发生频率上整体上没有差异。 ASD相关基因的启动子区域的变异与风险无关 众所周知，启动子通过与增强子靠近并相互作用，控制启动子正下方基因的表达。因此，启动子区域de novo变异很有可能影响直下游的基因表达，并且可以推测，位于与ASD相关基因上游的启动子区域的de novo变异与ASD风险特别密切相关。 因此，从登记有可能与ASD相关的基因的数据库SFARI gene中，选择被认为关联性特别强的基因作为ASD相关基因，并通过优势比来确定位于其上游的启动子区域的de novo变异是否与ASD风险有统计学上的显著关联。然而，与预期相反，ASD相关基因群的上游启动子区域的de novo变异与风险没有显著关联。这一结果表明，启动子区域的变异和ASD风险之间的关联不能仅用对直下游基因表达的影响来解释，可能存在不同的机制。 包含ASD相关基因的TAD内的启动子区域的变异与疾病风险显著相关 因此，研究小组将目光投向了近年来报道的新型基因调控机制“ERR”。ERR是指当启动子被破坏时，邻近的增强子不仅会离开启动子，还会重新瞄准其他启动子的现象。这将导致属于同一基因组的三维结构（TAD）的其他基因的表达激活。考虑到这一机制，在启动子区域的变异不仅影响直下游的基因，也可能影响同一TAD内其他基因的表达。 基于这一观点，研究小组利用人背外侧前额皮质的TAD分区，将启动子区域的大脑变异根据变异存在的TAD中是否包含ASD相关基因进行分类，并分析这些突变所表示的优势比。结果表明，含有ASD相关基因的TAD中存在的启动子区域潜伏期变异与疾病风险显著相关，其他启动子区域潜伏期变异没有显著相关。 ASD患者特异性在启动子区域识别156处聚集了变异的TAD 接下来，研究人员分析了ASD患者特异性的在启动子区域聚集的变异TAD，以探索是否存在与ASD特别相关的TAD。结果，在未校正多重检验的基准下识别出具有显著性的154个TAD，以及在校正多重检验后仍具有显著性的两个TAD。研究人员利用先前的全基因组关联分析（GWAS）数据，统计评估了总共156个TAD的启动子区域是否聚集了与ASD风险相关的常见单核苷酸多态性（SNP）（群体频率1%以上的变异）。结果显示，在156个TAD中发现了显著的ASD相关SNP聚集，而在其他TAD中没有这种聚集。该结果表明，特定TAD中的启动子区域在de novo变异和SNP的ASD风险中都很重要，在遗传学上，性质不同的SNP和de novo变异在该区域具有综合的疾病风险可能。 从患者身上鉴定出的变异，TAD外ASD /神经发育相关基因的表达也发生了变化 最后，为了调查ASD患者鉴定出的启动子区域的变异是否实际影响TAD内的基因表达，使用人类iPS细胞进行了变异导入实验。在染色体7号的启动子区域导入可通过CRISPR/Cas9系统导入的基因组变异，并通过RNA-seq分析基因表达。 结果显示，在启动子区域中，基因变异的直下游两个基因（HNRNPA2B1和CBX3）的表达显著升高，同一TAD中的ASD相关基因NFE2L3的表达显著降低。此外，不仅是TAD内的基因，TAD外的许多基因的表达也引起了变动，其中与ASD相关的基因和与神经发育相关的基因显著地多。 一个碱基的变异改变多个ASD相关基因群的表达，期待开发高效的遗传疗法 总结一下这次研究的成果： （1）由于de novo变异，启动子受到伤害时，与增强子的结合发生变化； （2）结果，与相同TAD内的变异不同位置的ASD相关基因的表达发生变化； （3）同一TAD中ASD相关基因的表达变化下游的基因组中不同位置的多个ASD相关基因的表达也发生变化； （4）结果导致ASD风险上升，这一系列现象可以用基因组的“蝴蝶效应”来形容。 此外，对IPS细胞的突变导入实验表明，仅一个碱基的突变不仅可以引起邻近基因的表达变化，而且还可以诱发许多ASD相关基因群的表达变化，并且有望导致靶向这些突变的高效遗传治疗方法的发展。 研究小组表示：“作为ASD的de novo变异研究，此次研究分析了世界上最大规模的5044个家族，为了获得更确切和深刻的见解，还需要对更多的家族和患者进行基因组分析。我们期待推进这样的研究，将基因组分析的知识与病理理解联系起来，从病理理解拓展到开发新的诊断、治疗、预防方法。” |
|
|
