全基因組關(guān)聯(lián)研究可以揭示變異與疾病的關(guān)聯(lián)，但不能有效解釋這些變異如何影響基因表達或病理情況的發(fā)生。在3月21日的《自然遺傳學》雜志上，紐約哥倫比亞大學的Vilas Menon和Philip De Jager團隊報道，許多遺傳變異不僅影響某些類型的腦細胞的基因表達，而且還影響這些細胞中特定亞型的基因表達。他們在ROS/MAP縱向隊列的424人中發(fā)現(xiàn)了8099個受此調(diào)控的基因。其中一些變異與阿爾茨海默氏癥和帕金森病基因座重疊，提示它們可能調(diào)節(jié)病理情況的發(fā)生。其中有一種變異僅在小膠質(zhì)細胞中上調(diào)APOE表達。與未攜帶者相比，攜帶者腦淀粉樣血管病變更為嚴重，但斑塊或纏結(jié)并未增多。
波士頓布里格姆婦女醫(yī)院Oleg Butovsky教授評價稱，這項研究提供了新的研究思路。香港科技大學卜國軍教授贊同，認為這些關(guān)聯(lián)研究為神經(jīng)生物學家提供了新線索，可以使用動物、細胞或其他模型進行驗證。
De Jager、Menon教授及其團隊對來自英國和荷蘭的兩個腦庫中192名成人的皮層組織進行單核RNA測序，確定了包含單核苷酸多態(tài)性(SNPs)的數(shù)量性狀基因座(eQTL)，這些多態(tài)性改變了7600個臨近基因的表達。大約一半的所謂eGenes在八種腦細胞類型中的一種中特異性表達。那么，在特定亞型細胞是什么樣的情況呢？
為了解開疑問， Fujita、Gao和Zeng教授分析了424名ROS/MAP供體的背外側(cè)前額葉皮層組織全基因組測序和SnRNA-Seq數(shù)據(jù)。其中，認知正常者占三分之一，輕度認知障礙者占26%，癡呆癥患者占40%。前額葉皮層細胞分7種類型和64種亞型。在細胞類型層面，研究人員確定了10,000個受eQTL影響的基因，即eGenes。其中，約50%基因的表達變化僅體現(xiàn)在一種細胞類型。在研究細胞亞型時，他們發(fā)現(xiàn)了8099個eGenes，其包括2000個在細胞類型層面并未發(fā)現(xiàn)的eGenes基因，這表明僅研究混合細胞樣品的變化可能會遺漏功能影響的信息。作者總結(jié)說“對單樣本進行更大量的細胞核測序可能比單純增加樣本量（participant）更重要?！?/span>
研究人員并未解釋這些基因影響的模式，但研究了與阿爾茨海默?。ˋD）相關(guān)的候選基因，如APOE。雖然除內(nèi)皮細胞外，所有細胞都表達該基因，但存在rs2288911這一SNP的小膠質(zhì)細胞中特異地上調(diào)了該基因。SNP附近存在一個甲基化和乙酰化位點，分別是一個活躍的啟動子和增強子，提示可以調(diào)節(jié)APOE的表達。結(jié)果還表明，盡管基因在多種細胞類型或亞型中表達，但某些遺傳變異可能僅影響特定細胞（subset of cells）的基因表達。
Cells and eGenes. 興奮性神經(jīng)元（Exc）具有最多的eGenes，其次是抑制性神經(jīng)元（Inh），再次是星形膠質(zhì)細胞（Ast）、少突膠質(zhì)細胞（Oli）、少突膠質(zhì)祖細胞（OPCs）、小膠質(zhì)細胞（Mic），最后是內(nèi)皮細胞（End）。 [Courtesy of Fujita et al., Nature Genetics, 2024.]
此前， GWAS已將rs2288911標記為與AD風險增加有關(guān)。SNP可能通過提高微小出血風險參與AD的發(fā)病。 rs2288911攜帶者腦淀粉樣血管病(CAA)更嚴重，但不影響斑塊和纏結(jié)程度。Bu教授指出：“小膠質(zhì)細胞ApoE基因型在CAA發(fā)展中可能起很關(guān)鍵的作用” ，但rs2288911攜帶者腦淀粉樣血管病與APOE4無關(guān)（APOE4是一種增加淀粉樣蛋白沉積的等位基因）。據(jù)此，rs2288911可能有助于在抗淀粉樣免疫治療試驗中，對存在淀粉樣蛋白相關(guān)成像異常風險的人群進行分組/分類。
其他SNP更具選擇性，僅影響單一細胞亞型的表達。GWAS發(fā)現(xiàn)，TMEM106B內(nèi)含子SNP的主要等位基因rs5011436與AD相關(guān)。該SNP不僅控制單個eGene，還調(diào)控以轉(zhuǎn)錄因子Cux2表達為特征的一整類興奮性神經(jīng)元亞型，這表明這些神經(jīng)元可能位于大腦上層。rs5011436的主要等位基因減少了興奮性神經(jīng)元數(shù)量，同時增加TMEM106B的表達。這種溶酶體蛋白表達過多會導致溶酶體腫脹、功能障礙，引發(fā)額顳部癡呆。這種精細控制表明SNP影響AD患病風險。
Risk eGenes? AD(左)和PD(右)的GWAS SNPs與特定的eGenes共定位(co-localize)。它們的表達（紅色標尺）隨細胞類型（頂部顏色編碼，底部標記）而異，其中小膠質(zhì)細胞（紫色）在AD中受影響的基因最多，而神經(jīng)元（綠色）在PD中受影響最多。 [Courtesy of Fujita et al., Nature Genetics, 2024.]
這些eGenes可能與已知AD風險基因重合嗎？研究人員將eGenes與已知AD和癡呆癥的GWAS進行比較。他們測試的20個AD基因座映射到21個不同eGenes上，這些eGenes在包括小膠質(zhì)細胞中的Bin1、Picalm和CDAP2在內(nèi)的各種細胞類型中表達（上圖）。這些細胞中有最多的eGenes，再次暗示它們與AD有關(guān)。PD的GWAS數(shù)據(jù)重復該分析，有11個PD基因座映射到13個eGenes（上圖）。其中許多在興奮性神經(jīng)元中表達，表明這些細胞在PD中特別容易受損。
以上研究結(jié)果表明，將基因變異的功能影響拓展至細胞亞型層面具有非常重要的意義。
寧波易賽騰生物科技有限公司 李福云編譯
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