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來(lái)源：BioArt
阿爾茲海默癥（Alzheimer's Disease，AD）是老年人群中最常見的一種神經(jīng)退行性疾癥，其發(fā)病機(jī)制至今尚未完全闡明， 目前還沒有徹底治愈的方法。近年來(lái)全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）和相關(guān)遺傳學(xué)研究揭示了數(shù)以千計(jì)的單核苷酸多態(tài)位點(diǎn)（SNP）與阿爾茲海默癥相關(guān)。由于阿爾茲海默癥發(fā)病機(jī)制極為復(fù)雜，關(guān)聯(lián)位點(diǎn)大都處于基因組非編碼區(qū)，到底哪些位點(diǎn)會(huì)增加阿爾茲海默癥的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，其具體效應(yīng)及作用機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。
基因組非編碼區(qū)存在大量具有潛在基因表達(dá)調(diào)控功能的順式作用元件（candidate cis-regulatory element, cCRE），如增強(qiáng)子、沉默子等，可以通過(guò)與啟動(dòng)子遠(yuǎn)距離相互作用，調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄活性。前期研究表明，超過(guò)90%的阿爾茲海默癥關(guān)聯(lián)位點(diǎn)富集在cCRE序列中，因此闡釋這些cCRE對(duì)靶基因的調(diào)控功能是解析阿爾茲海默癥遺傳風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。作為大腦中的免疫細(xì)胞，小膠質(zhì)細(xì)胞不僅在免疫應(yīng)答、監(jiān)測(cè)以及維持腦內(nèi)免疫穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用，而且相對(duì)于神經(jīng)元、星狀膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，與阿爾茲海默癥相關(guān)的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)更多富集于小膠質(zhì)細(xì)胞的cCRE序列中 ，提示小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)于阿爾茲海默癥關(guān)聯(lián)位點(diǎn)的cCRE研究及其遺傳機(jī)制的深入解析具有重要意義。
2023年9月21日，加州大學(xué)舊金山分校 （University of California, San Francisco) 沈音課題組及北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校 (University of Northa Carolina, Chapel Hill)的李蘊(yùn)課題組在Nature Genetics雜志上發(fā)表了題為 Functional characterization of Alzheimer’s disease genetic variants in microglia 的論文，首次將小膠質(zhì)細(xì)胞表觀遺傳學(xué)信息與阿爾茲海默癥GWAS數(shù)據(jù)相結(jié)合，系統(tǒng)性鑒定了與阿爾茲海默癥高度相關(guān)的遺傳位點(diǎn)，并利用單細(xì)胞CRISPR干擾篩選技術(shù)闡釋了多個(gè)阿爾茲海默癥關(guān)聯(lián)位點(diǎn)通過(guò)遠(yuǎn)距離染色體相互作用調(diào)控靶基因表達(dá)，并影響小膠質(zhì)細(xì)胞生理功能，為全面解析阿爾茲海默癥的遺傳機(jī)制提供了研究范例。
已有研究表明，病毒感染可導(dǎo)致多種神經(jīng)退行性疾病的罹患風(fēng)險(xiǎn)顯著升高【1】。因此，作者考察了人類多功能干細(xì)胞（hPSC）分化得到的小膠質(zhì)細(xì)胞在靜息和干擾素IFNβ刺激（模擬病毒感染）兩種狀態(tài)下不同的轉(zhuǎn)錄譜 (RNA-seq)、開放的染色質(zhì)區(qū)域圖譜 (ATAC-seq) 以及高精度的3D染色質(zhì)相互作用圖譜 (promoter capture Hi-C) ，來(lái)闡釋小膠質(zhì)細(xì)胞在靜息和應(yīng)對(duì)病毒感染兩種狀態(tài)下基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制。有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)干擾素刺激導(dǎo)致的差異表達(dá)基因?qū)?yīng)的染色質(zhì)開放狀態(tài)和3D相互作用在刺激前后保持相對(duì)穩(wěn)定，表明細(xì)胞已經(jīng)具備大部分的快速應(yīng)對(duì)刺激轉(zhuǎn)錄調(diào)控變化的先決條件。另一方面，染色質(zhì)開放狀態(tài)和3D相互作用同時(shí)發(fā)生變化的基因更傾向有表達(dá)變化。例如在阿爾茲海默癥風(fēng)險(xiǎn)基因MS4A6A下游的一個(gè)cCRE中含有兩個(gè)遺傳位點(diǎn)。經(jīng)過(guò)干擾素刺激后，該cCRE表現(xiàn)出更強(qiáng)的染色質(zhì)開放狀態(tài)， 并與MS4A6A啟動(dòng)子發(fā)生更強(qiáng)的3D相互作用。這些表觀遺傳現(xiàn)象很好地解釋了干擾素刺激后MS4A6A的轉(zhuǎn)錄水平升高，提示該cCRE的遺傳位點(diǎn)可以通過(guò)調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)基因來(lái)增加個(gè)體患阿爾茲海默癥的風(fēng)險(xiǎn)。
接下來(lái)，研究人員將與阿爾茲海默癥相關(guān)的非編碼遺傳位點(diǎn)和人源小膠質(zhì)細(xì)胞三維表觀基因組圖譜相結(jié)合，揭示了位于181個(gè)cCRE中的308個(gè)新的強(qiáng)關(guān)聯(lián)阿爾茲海默癥相關(guān)遺傳位點(diǎn)。通過(guò)檢查對(duì)附近基因轉(zhuǎn)錄的等位效應(yīng)，作者進(jìn)一步優(yōu)先考慮了來(lái)自25個(gè)基因座的118個(gè)位點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這些被優(yōu)先考慮的位點(diǎn)和cCREs的功能研究揭示了一系列跟阿爾茲海默癥相關(guān)的遺傳機(jī)制。例如，通過(guò)在人源小膠質(zhì)細(xì)胞中的單細(xì)胞CRISPR干擾篩選實(shí)驗(yàn)，作者觀察到單個(gè)阿爾茲海默癥相關(guān)功能位點(diǎn)可以影響多個(gè)基因的表達(dá)，多個(gè)cCREs的聯(lián)合作用可以對(duì)靶基因的表達(dá)產(chǎn)生非線性的協(xié)同作用。這些結(jié)果凸顯了通過(guò)非編碼區(qū)介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控所驅(qū)動(dòng)的阿爾茲海默癥發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜性，也強(qiáng)調(diào)了研究cCREs在基因調(diào)控中聯(lián)合效應(yīng)的重要性。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還采用先導(dǎo)編輯（prime editing）技術(shù)【2】，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)基因TSPAN14內(nèi)含子區(qū)域同一個(gè)cCRE中的兩個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行基因編輯和等位基因表達(dá)分析，確定了rs7922621定向調(diào)控TSPAN14基因表達(dá)，并進(jìn)一步影響下游ADAM10的膜轉(zhuǎn)運(yùn)及可溶性TREM2的剪切過(guò)程。考慮到TSPAN14、ADAM10和TREM2都是阿爾茲海默癥的風(fēng)險(xiǎn)基因，此項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了在小膠質(zhì)細(xì)胞中對(duì)阿爾茲海默癥相關(guān)變異的作用機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)性評(píng)估，涵蓋了從遺傳精細(xì)預(yù)測(cè)到將遺傳關(guān)聯(lián)位點(diǎn)與疾病相關(guān)的分子和細(xì)胞水平的功能聯(lián)系起來(lái)的全流程程。
值得強(qiáng)調(diào)的是，本研究TSPAN14位點(diǎn)的結(jié)果表明處于同一個(gè)cCRE中的rs7922621與其完全正相關(guān)的位點(diǎn)rs7910643并沒有表現(xiàn)出以上的分子或細(xì)胞層面的功能，凸顯了先導(dǎo)編輯的單堿基水平對(duì)精準(zhǔn)解析基因組功能的重要性。通常在同一個(gè)cCRE中存在多個(gè)與復(fù)雜疾病相關(guān)的遺傳位點(diǎn)，精準(zhǔn)定位致病位點(diǎn)困難重重：因?yàn)橐话愕幕蚓庉嫹椒ǎ热鏑RISPR，很難達(dá)到單個(gè)堿基的精度。沈音課題組近來(lái)開發(fā)了PRIME（高通量單堿基原位編輯篩選）方法，實(shí)現(xiàn)了以單堿基分辨率高通量地對(duì)人類基因組進(jìn)行功能篩選【3】。這項(xiàng)技術(shù)將顯著提升我們闡釋復(fù)雜疾病遺傳機(jī)制、提高早期診斷與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、新藥研發(fā)，以及開發(fā)個(gè)體化治療方案的能力。
本次研究還得到了來(lái)自海倫和羅伯特·阿爾茲海默癥研究所/威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院甘麗 (Li Gan) 教授團(tuán)隊(duì)的鼎力支持（Helen and Robert Appel Alzheimer’s Disease Research Institute, Weill Cornell Medical College）。沈音課題組楊曉宇（Xiaoyu Yang) 博士為文章第一作者。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-023-01506-8
參考文獻(xiàn)：
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3.Ren, X. et al. High throughput PRIME editing screens identify functional DNA variants in the human genome. bioRxiv, 2023.2007. 2012.548736 (2023).