來(lái)源： 中國(guó)生物技術(shù)網(wǎng) 2022-07-21 10:37
近二十多年來(lái)，人類基因組學(xué)研究不斷取得突破性進(jìn)展，許多導(dǎo)致疾病的基因被一一揭示，并不斷發(fā)現(xiàn)了新的治療靶點(diǎn)。全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）也已識(shí)別了數(shù)千種與疾病相關(guān)的遺傳變異。
近二十多年來(lái)，人類基因組學(xué)研究不斷取得突破性進(jìn)展，許多導(dǎo)致疾病的基因被一一揭示，并不斷發(fā)現(xiàn)了新的治療靶點(diǎn)。全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）也已識(shí)別了數(shù)千種與疾病相關(guān)的遺傳變異。
然而，確定所有突變基因的功能及其導(dǎo)致的健康結(jié)果一直是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。早先的研究繪制了這些變異的順式調(diào)控作用；但在許多情況下，這種方法并不能闡明疾病的病因。
科學(xué)家們認(rèn)為，許多順式調(diào)控基因可能并沒(méi)有直接參與疾病相關(guān)過(guò)程，而是反式調(diào)控在發(fā)揮重要作用。因此，繪制跨調(diào)控連接圖譜對(duì)于識(shí)別最顯著的疾病基因至關(guān)重要。
2022年7月11日，發(fā)表在《Nature Genetics》上的一項(xiàng)新研究中，來(lái)自加州大學(xué)舊金山分校和斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新方法，同時(shí)研究了免疫細(xì)胞內(nèi)的數(shù)千個(gè)基因，并繪制了迄今為止描述基因功能復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)最完整的圖譜，揭示出免疫細(xì)胞功能和免疫疾病的基本驅(qū)動(dòng)因素。該研究對(duì)于更好地了解個(gè)體遺傳變異與自身免疫性疾病風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，以及識(shí)別有前途的新藥物靶點(diǎn)至關(guān)重要。
眾所周知，T細(xì)胞是獲得性免疫系統(tǒng)的重要組成成分，它們的任務(wù)是抵感染和癌癥。當(dāng)被激活時(shí)，T細(xì)胞內(nèi)數(shù)千種蛋白質(zhì)的水平會(huì)發(fā)生變化，而且許多蛋白質(zhì)是相互聯(lián)系的。因此，一種蛋白質(zhì)水平的變化會(huì)導(dǎo)致另一種蛋白質(zhì)水平的變化。
過(guò)去的方法是使用CRISPR基因編輯工具敲除一組選定的基因，然后測(cè)量基因表達(dá)的變化，然后確定其在人類T細(xì)胞中的下游靶點(diǎn)。但這種所謂的“下游映射”方法只識(shí)別了轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中敲除基因下游的基因。因此，只揭示了部分真相。
相比之下，“上游映射”將使研究人員可以從感興趣的基因開(kāi)始，無(wú)偏地發(fā)現(xiàn)控制其表達(dá)的上游調(diào)節(jié)因子。上游映射可用于識(shí)別已知疾病基因的調(diào)節(jié)因子，并推斷順式調(diào)控上游基因與疾病相關(guān)的基因突變?nèi)绾畏词秸{(diào)控下游疾病基因。
現(xiàn)在，研究人員將這些蛋白質(zhì)和基因之間的聯(lián)系繪制成類似地鐵地圖的網(wǎng)絡(luò)，從而可以幫助解釋為什么兩個(gè)不同免疫基因的突變可能導(dǎo)致相同的疾病，或者一種藥物如何同時(shí)對(duì)許多免疫蛋白產(chǎn)生影響。
這種上游映射的方法就像規(guī)劃地鐵線路一樣，首先確定主要樞紐，然后確定到這些關(guān)鍵站點(diǎn)的路線，而不是費(fèi)力地從不同的衛(wèi)星站重建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
在這項(xiàng)新研究中，研究人員使用CRISPR-Cas9基因編輯工具同時(shí)敲除人類原代T細(xì)胞庫(kù)中的數(shù)千個(gè)基因。然后，他們專注于能生成轉(zhuǎn)錄因子的基因，并從中確定了三個(gè)關(guān)鍵免疫基因產(chǎn)物的上游調(diào)節(jié)因子，即：IL2RA（也稱CD25）、IL-2和CTLA4。
隨后，他們分別敲除上述三個(gè)調(diào)節(jié)因子，并使用ATAC-seq和RNA-seq測(cè)量染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)的下游變化，以確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、順式調(diào)控元件（CRE）靶點(diǎn)和共同調(diào)節(jié)的疾病基因。
他們發(fā)現(xiàn)，這三個(gè)基因的關(guān)聯(lián)程度令人感到驚訝：有117個(gè)調(diào)節(jié)因子至少調(diào)控三個(gè)基因中的一個(gè)基因的水平，39個(gè)調(diào)節(jié)因子調(diào)控兩個(gè)，10個(gè)調(diào)節(jié)因子同時(shí)改變了所有三個(gè)基因的水平。
為了進(jìn)一步完善免疫基因圖譜，該團(tuán)隊(duì)接下來(lái)采用了傳統(tǒng)的下游映射方法，他們從T細(xì)胞中移除24個(gè)精確調(diào)控的因子，以顯示除了IL2RA、IL-2和CTLA4外的完整基因列表。
研究人員發(fā)現(xiàn)，許多調(diào)節(jié)因子相互控制。例如，轉(zhuǎn)錄因子IRF4改變了其他9種調(diào)節(jié)因子的活性，并且自身受另外其他15個(gè)調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)；所有24個(gè)調(diào)節(jié)因子控制IL2RA的水平。在某些情況下，調(diào)節(jié)因子本身由IL2RA在反式調(diào)控中進(jìn)行調(diào)節(jié)。
就像在密集的地鐵網(wǎng)絡(luò)中一樣，每個(gè)樞紐都有幾個(gè)“換乘車站”，可以與其他樞紐相連，而且連接是雙向的。
研究人員表示，有些情況下，轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)IL2RA，但I(xiàn)IL2RA本身也控制著同一轉(zhuǎn)錄因子。這類反向調(diào)控網(wǎng)絡(luò)似乎比之前意識(shí)到的關(guān)聯(lián)程度更高。
在所有受調(diào)節(jié)因子調(diào)控的完整基因列表中，研究人員發(fā)現(xiàn)了大量與免疫疾病相關(guān)的基因，包括多發(fā)性硬化癥、狼瘡和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎。
他們表示，新的圖譜有助于揭示與這些疾病相關(guān)的基因變化如何出現(xiàn)在不同的基因中，但由于基因之間的調(diào)節(jié)聯(lián)系，最終對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生了相同的影響。
總之，已鑒定的調(diào)節(jié)因子共同調(diào)節(jié)一個(gè)中心網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)明顯富集了與免疫疾病相關(guān)的基因，當(dāng)受到干擾時(shí)，它會(huì)增加疾病風(fēng)險(xiǎn)。IL2RA、IL-2和CTLA4作為該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，是癌癥和自身免疫性疾病藥物開(kāi)發(fā)的靶點(diǎn)，因此，這個(gè)基因網(wǎng)絡(luò)將有助于識(shí)別那些有前途的新藥物靶點(diǎn)。
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