研究將阿爾茨海默病相關(guān)的基因變異與腦細胞功能聯(lián)系起來

研究阿爾茨海默病(AD)的科學家已經(jīng)在這種進行性神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展過程中，在基因組中發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種基因變異。

這些變異主要位于不編碼蛋白質(zhì)的基因組區(qū)域，因此很難理解哪些變異會導致個體患阿爾茨海默病的風險。非編碼變異曾被科學家認為是“垃圾DNA”。近年來，這些變異在控制組織和細胞類型的基因表達中起著至關(guān)重要的作用。然而，將這些非編碼變異與它們調(diào)節(jié)的基因聯(lián)系起來并影響ad相關(guān)功能是一項艱巨的任務(wù)。

現(xiàn)在，北卡羅來納大學教堂山分校和加州大學舊金山分校的研究人員已經(jīng)確定了風險變異與小膠質(zhì)細胞功能的聯(lián)系，以及它們是如何導致AD的。

“小膠質(zhì)細胞是大腦的免疫細胞，對阿爾茨海默病至關(guān)重要，”北卡羅來納大學醫(yī)學院和北卡羅來納大學吉林斯全球公共衛(wèi)生學院遺傳學和生物統(tǒng)計學教授Yun Li說。“我們的研究直接集中在對調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞很重要的關(guān)鍵基因組區(qū)域。我們發(fā)現(xiàn)的這些變異和區(qū)域?qū)⒊蔀樵谛∧z質(zhì)細胞中進行進一步實驗的一個很好的起點。”

Li和Yin Shen博士是加州大學舊金山分校人類遺傳學研究所和神經(jīng)病學系的副教授，他們的團隊對小膠質(zhì)細胞的潛在功能區(qū)域進行了詳細的分析，這些區(qū)域含有與阿爾茨海默病相關(guān)的遺傳變異。他們發(fā)現(xiàn)了181個新的感興趣的區(qū)域，其中包含308個優(yōu)先變異，這些變異在以前被認為在阿爾茨海默病中不起作用。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然遺傳學》雜志上。

精細制圖和CRISPRi

Li和她的同事從37個與阿爾茨海默病相關(guān)的基因位點開始，優(yōu)先考慮小膠質(zhì)細胞中的風險變異及其潛在功能區(qū)域-稱為候選順式調(diào)控區(qū)域(cCRE)，他們進行了一個稱為精細定位的過程。一次一個位點，他們研究了相關(guān)的變異，特別考慮了表觀遺傳特征和3D基因組相互作用注釋，表明它們在小膠質(zhì)細胞中起作用的可能性。

在篩選了最有可能通過小膠質(zhì)細胞的基因調(diào)控功能對AD產(chǎn)生影響的變異后，他們利用人類多能干細胞分化的小膠質(zhì)細胞進行了CRISPR干擾(CRISPRi)篩選實驗，以確定影響小膠質(zhì)細胞基因表達的確切區(qū)域。

利用這種表觀基因組編輯技術(shù)，研究人員可以“干擾”候選區(qū)域，看看是否有任何被測試的基因組區(qū)域會影響下游基因表達。他們發(fā)現(xiàn)，關(guān)閉一個區(qū)域通常會影響基因的“整個鄰域”，就像電網(wǎng)停電一樣。

“我們一直在問錯誤的問題，”Li說，“我們應(yīng)該問，這些變異的靶基因或基因是什么影響了小膠質(zhì)細胞。有時，一個變異可能會影響附近多個基因的表達。”

從蕓蕓眾生中找出一個

此外，每個區(qū)域可能包含幾個ad相關(guān)的遺傳變異。然后，研究人員需要在通過基因分析確定的許多變異中確定哪些變異是因果關(guān)系。這種精確性對于理解非編碼變異促進AD發(fā)展的機制至關(guān)重要。

該團隊采用了一種尖端的基因組編輯技術(shù)——啟動編輯，這使得他們能夠一次引入一個DNA堿基替換，并評估TSPAN14 AD風險位點上的個體變異功能。通過這種方法，他們能夠識別出一種特定的變體，將其與另一種幾乎完全相關(guān)且位于同一cCRE區(qū)域的變體區(qū)分開來，從而負責TSPAN14的表達。

將非編碼變異與基因表達以外的功能聯(lián)系起來

更重要的是，該變異進一步對一系列下游細胞過程產(chǎn)生負面影響，包括ADAM10蛋白的成熟和小膠質(zhì)細胞中可溶性TREM2的切碎。由于已知上述三個基因都是AD的風險基因，因此該研究成功地將AD非編碼變體與小膠質(zhì)細胞中不受基因表達控制的功能聯(lián)系起來。

Li說，他們的研究結(jié)果將作為一個新的基礎(chǔ)，其他研究人員可以從中發(fā)現(xiàn)更多的阿爾茨海默病的因果變異，預測疾病的風險，并開發(fā)更有效的治療方法。這項工作也是與來自威爾康奈爾醫(yī)學院海倫和羅伯特·阿佩爾阿爾茨海默病研究所的李干小組合作完成的。

Li, Shen和Gan實驗室將繼續(xù)使用更復雜的模擬人類大腦的模型系統(tǒng)(如人類大腦類器官)來擴展對AD風險變異的分析。

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