|
結構變異(SVs)是基因組的重排，范圍從50個到數千個堿基對（bp）。近年來由于全基因組測序（WGS）的發展，檢測到的SVs的數量大量增加。雖然SVs和腦疾病十分相關，然而之前的大多數關于SVs影響的研究都局限于非腦組織或mRNA的表達水平，缺乏腦組織以及其他分子水平的研究。
因此，Towfique教授團隊整合了衰老研究隊列的1760個受試者的WGS數據以及腦組織的包含了組蛋白乙酰化，染色質免疫共沉淀，RNA測序，蛋白質組學等多組學的數據來揭示SVs是如何調節人類大腦的功能和疾病風險（圖1），并于2022年3月在Nature Neuroscience 雜志發表了題為Integrating whole-genome sequencing with multi-omic data reveals the impact of structural variants on gene regulation in the human brain 的文章。
圖1.研究概況  歡迎加入 全國ADPD學術討論群 全國神經內科學術討論群 添加小編微信 brainnews_11 -留言：ADPD、神經內科研究群- SVs的發現與質量評估 該團隊對來自ROS/MAP, MSBB以及Mayo衰老隊列的1881個受試者進行短讀WGS，檢測了SVs中的刪除（DELs），復制（DUPs），插入（INSs），倒位（INVs），移動元件插入（MEIs）以及復雜重排（CPXs），最后在1760個樣本中獲得了170966個高可信度的SVs（圖2.a），SVs的bp越大，數量就越小，且在MEIs中發現較多的Alu, SVA以及LINE1（圖2.b）。 為了評估這些發現的SVs，將這些SVs與之前的多個基因數據庫對比，發現她們的可重復性比較高，并且有30%左右的新SVs（圖2.c），此外，使用ROS/MAP數據庫中的2個樣本進行長讀WGS，其結果和之前短讀WGS有很高的一致性（圖2.d）。
圖2.隊列中發現的SVs SVs對基因表達的影響 該團隊對發現的常見SVs進行了不同腦區的順式-表達數量性狀位點（cis-eQTL）分析（圖3.a），發現DEL和SVA更有可能和基因表達改變相關（圖3.b），長非編碼RNA，TEC以及假基因與SVs的相關性的總體效應要大于蛋白編碼基因（圖2.c），除了與外顯子有重合的部分外，SV-eQTL的效應方向基本都是兩側分布（圖2.e）。 不同腦區的比較顯示98%的SV-eQTL效果方向相同，但是也能看出一定的區域特異性（圖2.f）。為了推測每個位點的SVs的可能的因果關系，該團隊對ROS/MAP隊列中的發現的SVs和單核苷酸多態性（SNPs）進行了聯合eQTL以及精準映射（mapping），發現有86/2518(3.41%)SVs比SNPs有更高或者相同概率的因果性（圖2.g-i）。
圖3.SV-eQTLs的特性 影響基因調控級聯反應的 SVs的mapping 該團隊之后對ROS/MAP隊列背外側前額葉（DLPFC）中發現的25421個最小等位基因頻率（MAF）≥ 0.01的SVs進行了蛋白（pQTL），剪切（sQTL），表達（eQTL），以及組蛋白（HaQTL）的SV-xQTL分析，發現了3191 SV-eQTLs，2866 SV-sQTLs，399 SV-pQTLs以及1454 SV-haQTLs（圖4.a）。 結果顯示，DEL在各個水平的表型，ALU在pQTL 和eQTL ，SVA在pQTL，eQTL以及sQTL都出現明顯的相關（圖4.b）。此外，SV-xQTL在基本所有的分子表型的相關功能注釋中富集（圖4.c）。該團隊同時發現了667對SV基因與至少兩種表型相關的效應，發現pQTL和eQTL之間的相關性比較強，但是也會出現eQTL降低，pQTL升高的現象（圖4.d-f）。
圖4. SVs對基因調控級聯反應的影響 之后該團隊使用中介分析（將mRNA或者蛋白作為結果，其他表型作為介質）來研究SV-xQTL之間的影響，分為完全中介（SV影響表型M，表型M影響Y），部分中介（SV影響表型M，表型M影響Y同時SV也影響Y）以及co-local（SV獨立地影響兩種表型）（圖5.a），結果顯示，組蛋白和選擇性剪切對于RNA的效應要比蛋白強（圖5.b和c），完全中介出現的情況非常少，但是也有存在（圖5.d）。
圖5.SV-xQTL的中介分析 罕見SVs的影響 由于罕見SVs的頻率很低，其影響通常是通過在異常值內尋找富集物來間接測量，而不是上述標準的關聯測試。該團隊發現了1551和1747對RNA表達和蛋白水平有影響的異常值對（圖6.a），此外對罕見SVs進行富集發現DEL和DUP在RNA中富集更明顯（圖6.b），對RNA和蛋白的影響效應的方向也一致（圖6.c），雖然也會出現相反的情況（圖6.d）。
圖6.罕見SVs對基因表達異常值的影響 神經退行性疾病中的 致病性SVs的特征 由于SVs之前并不納入到全基因組關聯分析研究中，因此它們和神經退行性疾病的關系很多都被忽視了。該團隊進行了全基因組SV與阿爾茨海默病以及進行性核上麻痹（PSP）的關聯分析，發現了4個與PSP相關的SVs，它們與很多PSP相關的基因表達和分子表型相關（圖7）。
圖7.與PSP相關的SVs以及它們對分子表型的影響 結 論 基因的SVs可以影響基因調控級聯反應，研究它們與神經退行性疾病的相關性可以進一步理解神經系統疾病的機制。  Ricardo A, et al. Integrating whole-genome sequencing with multi-omic data reveals the impact of structural variants on gene regulation in the human brain. Nature Neuroscience. 2022. DOI: 10.1038/s41593-022-01031-7. 編譯作者：KK（brainnews創作團隊） 校審：Simon（brainnews編輯部） Nat Neurosci：腸道微生物群驅動小膠質細胞中衰老相關氧化應激和線粒體損傷機制PNAS：新發現！海馬非位置細胞對模糊的位置信息目標有識別能力，但在AD小鼠中消失Nature Neurosci 最新研究：神經元檢測認知邊界以構建人類的情景記憶Science Advances：青春期是前額葉皮質小膠質細胞對認知發育有影響的敏感時
|
|
|
