Nat Genet | 系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)T細(xì)胞調(diào)節(jié)基因：跨過(guò)順式反式的連接網(wǎng)絡(luò)

原創(chuàng)?風(fēng)不止步?圖靈基因?2022-07-18 09:04?發(fā)表于江蘇

收錄于合集#前沿分子生物學(xué)技術(shù)

撰文：風(fēng)不止步

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作者繪制了一個(gè)具有廣泛反饋回路的緊密互連網(wǎng)絡(luò)翩活，該網(wǎng)絡(luò)豐富免疫相關(guān)疾病變體和基因衬以。提供免疫相關(guān)疾病基因在T細(xì)胞中如何調(diào)節(jié)的見(jiàn)解，以及關(guān)于人類基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的更廣泛原則槽奕。

2022年7月11日，美國(guó)普里查德實(shí)驗(yàn)室的Jonathan K. Pritchard博士等人在《Nature Genetics》上發(fā)表了一篇“Systematic discovery and perturbation of regulatory genes in human T cells reveals the architecture of immune networks”的文章房轿，文章利用CRISPR擾動(dòng)粤攒、RNA序列和ATAC序列繪制了IL2RA、IL-2和CTLA4的上游調(diào)節(jié)因子和假定順式調(diào)控元件的靶基因網(wǎng)絡(luò)囱持。

人類遺傳學(xué)研究可以揭示導(dǎo)致疾病的基因夯接，并確定新的治療靶點(diǎn)。全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）已確定數(shù)千種與疾病相關(guān)的遺傳變異纷妆；然而盔几，很難確定其功能后果。工作重點(diǎn)原先是繪制這些變體的順式調(diào)節(jié)效應(yīng)（CIS）掩幢。然而逊拍，在許多情況下，識(shí)別CIS中改變的基因并不能闡明疾病的病因际邻。許多順式調(diào)節(jié)基因可能不直接參與疾病相關(guān)過(guò)程芯丧，而是反式調(diào)節(jié)其他直接參與的基因。因此世曾，繪制跨調(diào)節(jié)連接圖對(duì)于識(shí)別最顯著的疾病基因至關(guān)重要注整。

圖1：繪制人類T細(xì)胞疾病基因網(wǎng)絡(luò)的方法。

只有少數(shù)研究成功地解開(kāi)了疾病相關(guān)變體的跨調(diào)節(jié)影響。在這些研究中肿轨，識(shí)別給定單核苷酸多態(tài)性（SNP）的反調(diào)節(jié)基因可以理解每個(gè)變體如何影響疾病風(fēng)險(xiǎn)寿冕。這些例子支持映射跨調(diào)節(jié)連接的效用，但事實(shí)證明椒袍，測(cè)量跨調(diào)節(jié)比測(cè)量順式調(diào)節(jié)更難驼唱，這在很大程度上是一個(gè)尚未解決的問(wèn)題。

使用反式eqtl（表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)）定位反式調(diào)控比較困難驹暑，因?yàn)榉词絜qtl通常影響較小玫恳，需要大樣本量進(jìn)行檢測(cè)。另一種方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)干擾一個(gè)基因优俘，并測(cè)量對(duì)其他基因表達(dá)的影響京办。這些調(diào)節(jié)關(guān)系也許是細(xì)胞類型特異性，所以必須在疾病相關(guān)細(xì)胞中繪制帆焕。為了在與免疫介導(dǎo)疾病相關(guān)的細(xì)胞中進(jìn)行機(jī)理研究惭婿，使用Cas9核糖核蛋白（RNP）和切片在原代人類T細(xì)胞中使用CRISPR。關(guān)注CD4+T細(xì)胞叶雹，因?yàn)樽陨砻庖呒膊∠嚓P(guān)的SNP在這些細(xì)胞的活性染色質(zhì)中高度富集财饥。擾動(dòng)序列等方法使用CRISPR敲除選定的一組基因并測(cè)量基因表達(dá)的變化。之前使用這些方法干擾感興趣的基因折晦，并在人類T細(xì)胞中識(shí)別其下游靶點(diǎn)钥星。將這種方法稱為“下游映射”，因?yàn)樗R(shí)別轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中敲除基因下游的基因满着。然而谦炒，這種方法需要對(duì)調(diào)控基因的知識(shí)進(jìn)行選擇以進(jìn)行破壞。相反风喇，“上游定位”能夠從感興趣的基因開(kāi)始宁改，無(wú)偏見(jiàn)地發(fā)現(xiàn)控制其表達(dá)的上游調(diào)控因子。上游定位可用于識(shí)別已知疾病基因的調(diào)節(jié)因子响驴，并推斷順式調(diào)節(jié)上游基因的疾病相關(guān)基因變體可能也反式調(diào)節(jié)下游疾病基因透且。

圖2:IL2RA撕蔼、IL-2和CTLA4上游調(diào)節(jié)器的發(fā)現(xiàn)豁鲤。

文章確定了三種關(guān)鍵免疫基因產(chǎn)物的上游調(diào)節(jié)因子：IL2RA（也稱為CD25）、IL-2和CTLA4鲸沮。IL-2是一種重要的細(xì)胞因子琳骡，與高親和力IL-2受體IL2RA結(jié)合，促進(jìn)T細(xì)胞增殖和存活讼溺。CTLA4通過(guò)抑制CD80/CD86對(duì)抗原呈遞細(xì)胞的CD28共刺激來(lái)限制T細(xì)胞活化楣号。繪制這些基因周圍的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗鼈兊恼_表達(dá)對(duì)免疫穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，它們的破壞與許多復(fù)雜的孟德?tīng)柮庖呒膊∮嘘P(guān)炫狱。

圖3:IL2RA調(diào)節(jié)因子形成高度互聯(lián)的基因網(wǎng)絡(luò)

在確定上游調(diào)節(jié)器后藻懒，通過(guò)分別淘汰24個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行下游映射測(cè)量染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)的全基因組變化。結(jié)合上游和下游映射能夠生成原代人類細(xì)胞中跨調(diào)節(jié)連接的綜合圖（圖1a）视译。此外嬉荆，這些數(shù)據(jù)深入了解了人類基因網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控架構(gòu)，揭示一個(gè)高度互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)酷含，其中包含廣泛的反饋回路鄙早，并豐富免疫疾病變體和基因。結(jié)果為確定疾病相關(guān)基因網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)路線圖椅亚，方法是從幾個(gè)重要的種子基因開(kāi)始限番，然后優(yōu)先考慮破壞這些網(wǎng)絡(luò)組成部分的變體。

圖4：共調(diào)控基因集富集了免疫疾病基因呀舔。

繪制基因網(wǎng)絡(luò)圖的策略可能廣泛適用于知道的一些感興趣的基因弥虐，但尚未發(fā)現(xiàn)涉及哪些其他基因和非編碼元件的情況。對(duì)1484個(gè)基因的微擾和酵母中的圖譜分析表明别威，這種方法可以將許多基因分配到功能途徑躯舔。由于類似規(guī)模的實(shí)驗(yàn)在哺乳動(dòng)物系統(tǒng)中尚不可行，所以開(kāi)發(fā)一種兩步方法省古。首先確定最重要的調(diào)控基因粥庄，然后進(jìn)行一系列與RNA序列和ATAC序列耦合的集中擾動(dòng)。免疫基因在共調(diào)節(jié)基因中的高度富集表明豺妓，這是一種強(qiáng)大且廣泛適用的方法惜互，用于識(shí)別功能相關(guān)基因和假定的CRE。

已鑒定的IL2RA調(diào)節(jié)因子共同調(diào)節(jié)一個(gè)中心網(wǎng)絡(luò)琳拭，該網(wǎng)絡(luò)顯著富集與免疫疾病相關(guān)的基因训堆。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與提出的全基因模型一致，在該模型中白嘁，一組核心基因直接作用于性狀坑鱼，但許多外圍基因的擾動(dòng)會(huì)影響這些核心基因的表達(dá)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以解釋許多看似無(wú)關(guān)的GWA失調(diào)如何破壞重要疾病基因的中央網(wǎng)絡(luò)絮缅。重要的是鲁沥，利用擾動(dòng)繪制基因網(wǎng)絡(luò)圖還可以識(shí)別疾病基因和上游調(diào)節(jié)器之間的聯(lián)系，而這些調(diào)節(jié)器本身在基因上與疾病無(wú)關(guān)耕魄。此外画恰，該網(wǎng)絡(luò)可能與診斷臨床基因組測(cè)序中發(fā)現(xiàn)的候選遺傳變異相關(guān)，這些變異與免疫缺陷或自身免疫性疾病無(wú)關(guān)吸奴，但映射到該網(wǎng)絡(luò)中的基因允扇。最后缠局，作為該網(wǎng)絡(luò)種子的IL2RA、IL-2和CTLA4是癌癥和自身免疫性疾病藥物開(kāi)發(fā)的既定靶點(diǎn)考润，因此該網(wǎng)絡(luò)可能有助于確定有前景的新藥物靶點(diǎn)狭园。組裝基因網(wǎng)絡(luò)圖也可用于設(shè)計(jì)免疫細(xì)胞療法。更好地理解T細(xì)胞調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)將有助于改進(jìn)細(xì)胞治療和更安全地操縱基因糊治，同時(shí)更全面地了解這種操縱的下游后果妙啃。

教授介紹

Jonathan K. Pritchard博士

Jonathan K. Pritchard博士認(rèn)為物種內(nèi)的遺傳變異是進(jìn)化和表型變異的最終驅(qū)動(dòng)力。大部分工作使用統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法來(lái)研究人類遺傳學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)中遺傳變異的各個(gè)方面俊戳。經(jīng)常處理需要處理新型基因組數(shù)據(jù)或新型問(wèn)題的問(wèn)題揖赴。因此，工作核心部分涉及開(kāi)發(fā)適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法抑胎，這些方法可以對(duì)現(xiàn)代基因組規(guī)模數(shù)據(jù)集產(chǎn)生新的見(jiàn)解燥滑。

其實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前活躍的領(lǐng)域包括：

復(fù)雜性狀的遺傳結(jié)構(gòu)、多基因預(yù)測(cè)阿逃、可移植性和全基因模型铭拧。

基因調(diào)控和變異：順式和反式?eQTL、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)恃锉、推理和模型搀菩。

復(fù)雜性狀、適應(yīng)和人類歷史的群體遺傳學(xué)：理論破托、推論肪跋、數(shù)據(jù)分析。

參考文獻(xiàn)

Jacob W. Freimer, Oren Shaked et al. Systematic discovery and perturbation of regulatory genes in human T cells reveals the architecture of immune networks（2022）