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基因網(wǎng)絡圖譜：免疫細胞功能與疾病
近二十多年來，人類基因組學研究不斷取得突破性進展，許多導致疾病的基因被一一揭示，并不斷發(fā)現(xiàn)了新的治療靶點。全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）也已識別了數(shù)千種與疾病相關(guān)的遺傳變異。
然而，確定所有突變基因的功能及其導致的健康結(jié)果一直是個巨大的挑戰(zhàn)。早先的研究繪制了這些變異的順式調(diào)控作用；但在許多情況下，這種方法并不能闡明疾病的病因。
科學家們認為，許多順式調(diào)控基因可能并沒有直接參與疾病相關(guān)過程，而是反式調(diào)控在發(fā)揮重要作用。因此，繪制跨調(diào)控連接圖譜對于識別最顯著的疾病基因至關(guān)重要。
2022年7月11日，發(fā)表在《Nature Genetics》上的一項新研究中，來自加州大學舊金山分校和斯坦福大學的研究團隊開發(fā)了一種新方法，同時研究了免疫細胞內(nèi)的數(shù)千個基因，并繪制了迄今為止描述基因功能復雜網(wǎng)絡最完整的圖譜，揭示出免疫細胞功能和免疫疾病的基本驅(qū)動因素。該研究對于更好地了解個體遺傳變異與自身免疫性疾病風險之間的關(guān)系，以及識別有前途的新藥物靶點至關(guān)重要。
眾所周知，T細胞是獲得性免疫系統(tǒng)的重要組成成分，它們的任務是抵感染和癌癥。當被激活時，T細胞內(nèi)數(shù)千種蛋白質(zhì)的水平會發(fā)生變化，而且許多蛋白質(zhì)是相互聯(lián)系的。因此，一種蛋白質(zhì)水平的變化會導致另一種蛋白質(zhì)水平的變化。
過去的方法是使用CRISPR基因編輯工具敲除一組選定的基因，然后測量基因表達的變化，然后確定其在人類T細胞中的下游靶點。但這種所謂的“下游映射”方法只識別了轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡中敲除基因下游的基因。因此，只揭示了部分真相。
相比之下，“上游映射”將使研究人員可以從感興趣的基因開始，無偏地發(fā)現(xiàn)控制其表達的上游調(diào)節(jié)因子。上游映射可用于識別已知疾病基因的調(diào)節(jié)因子，并推斷順式調(diào)控上游基因與疾病相關(guān)的基因突變?nèi)绾畏词秸{(diào)控下游疾病基因。
現(xiàn)在，研究人員將這些蛋白質(zhì)和基因之間的聯(lián)系繪制成類似地鐵地圖的網(wǎng)絡，從而可以幫助解釋為什么兩個不同免疫基因的突變可能導致相同的疾病，或者一種藥物如何同時對許多免疫蛋白產(chǎn)生影響。
這種上游映射的方法就像規(guī)劃地鐵線路一樣，首先確定主要樞紐，然后確定到這些關(guān)鍵站點的路線，而不是費力地從不同的衛(wèi)星站重建整個網(wǎng)絡。
在這項新研究中，研究人員使用CRISPR-Cas9基因編輯工具同時敲除人類原代T細胞庫中的數(shù)千個基因。然后，他們專注于能生成轉(zhuǎn)錄因子的基因，并從中確定了三個關(guān)鍵免疫基因產(chǎn)物的上游調(diào)節(jié)因子，即：IL2RA（也稱CD25）、IL-2和CTLA4。
隨后，他們分別敲除上述三個調(diào)節(jié)因子，并使用ATAC-seq和RNA-seq測量染色質(zhì)可及性和基因表達的下游變化，以確定網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、順式調(diào)控元件（CRE）靶點和共同調(diào)節(jié)的疾病基因。
他們發(fā)現(xiàn)，這三個基因的關(guān)聯(lián)程度令人感到驚訝：有117個調(diào)節(jié)因子至少調(diào)控三個基因中的一個基因的水平，39個調(diào)節(jié)因子調(diào)控兩個，10個調(diào)節(jié)因子同時改變了所有三個基因的水平。
為了進一步完善免疫基因圖譜，該團隊接下來采用了傳統(tǒng)的下游映射方法，他們從T細胞中移除24個精確調(diào)控的因子，以顯示除了IL2RA、IL-2和CTLA4外的完整基因列表。
研究人員發(fā)現(xiàn)，許多調(diào)節(jié)因子相互控制。例如，轉(zhuǎn)錄因子IRF4改變了其他9種調(diào)節(jié)因子的活性，并且自身受另外其他15個調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)；所有24個調(diào)節(jié)因子控制IL2RA的水平。在某些情況下，調(diào)節(jié)因子本身由IL2RA在反式調(diào)控中進行調(diào)節(jié)。
就像在密集的地鐵網(wǎng)絡中一樣，每個樞紐都有幾個“換乘車站”，可以與其他樞紐相連，而且連接是雙向的。
研究人員表示，有些情況下，轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)IL2RA，但IIL2RA本身也控制著同一轉(zhuǎn)錄因子。這類反向調(diào)控網(wǎng)絡似乎比之前意識到的關(guān)聯(lián)程度更高。
在所有受調(diào)節(jié)因子調(diào)控的完整基因列表中，研究人員發(fā)現(xiàn)了大量與免疫疾病相關(guān)的基因，包括多發(fā)性硬化癥、狼瘡和類風濕性關(guān)節(jié)炎。
他們表示，新的圖譜有助于揭示與這些疾病相關(guān)的基因變化如何出現(xiàn)在不同的基因中，但由于基因之間的調(diào)節(jié)聯(lián)系，最終對細胞產(chǎn)生了相同的影響。
總之，已鑒定的調(diào)節(jié)因子共同調(diào)節(jié)一個中心網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡明顯富集了與免疫疾病相關(guān)的基因，當受到干擾時，它會增加疾病風險。IL2RA、IL-2和CTLA4作為該網(wǎng)絡的節(jié)點，是癌癥和自身免疫性疾病藥物開發(fā)的靶點，因此，這個基因網(wǎng)絡將有助于識別那些有前途的新藥物靶點。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41588-022-01106-y
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