來自死亡個體的樣本 幫我們讀懂疾病背後的基因密碼
2020-10-13 11:09:06      來源:科技日報

人與人的基因序列中99.9%以上是相同的,僅有不到0.1%差異,可是為什麼我們卻如此不同?

人們經常把人類基因組序列(30億對鹼基)比喻成一部60億字的天書,人類基因組計劃的測序,只是把天書變成“明文”,人類卻仍舊看不懂這些文字所表達的意思。

一個名叫“基因型—組織表達”(以下簡稱GTEx)的大型研究項目試圖尋找答案——即找到序列與實際性狀(疾病)的關係,確定不同基因究竟如何影響表達。GTEx計劃是現有規模最大的人類器官轉錄組研究計劃。這項研究由美國國立衞生研究院(NIH)資助,包括麻省理工學院、哈佛大學、芝加哥大學等美國多個知名研究機構的研究人員參與研究,通過對不同性別的死者不同組織、不同器官的基因組、轉錄組、蛋白質組進行分析,試圖把基因組測序的結果“直譯”出來。

經過10年研究,GTEx計劃9月上旬公佈最新分析成果,數據以系列論文的形式在《科學》《細胞》等雜誌上發表。值得一提的是,GTEx數據被廣泛用作設計新方法和工具的參考數據集,由此衍生出大量便於更深入研究的統計學方法。

為生活中的“小煩惱”尋找關聯基因

這裏有每個人的小憂慮,歡迎“對號入座”——

如果你還沒到成為中年油膩男的年紀,或許正在擔心:為什麼我的髮際線在不斷升高;

如果你是位壓力山大的職場女性,或許正在擔心:去年體檢的乳腺結節不知道怎麼樣了,據説乳腺癌患病率很高;

如果你是名新手寶媽,或許正在擔心:我家娃超重了!除了母乳什麼也沒吃,為什麼胖得連脖子都看不到了;

……

在GTEx計劃公佈的研究結果中,這些問題都在基因組、轉錄組和蛋白質組的分析中找到了答案。

這些答案來自海量數據的測序、彙總、分析……依託了大量的創新分析方法。研究者將所有的研究數據彙總形成GTEx數據集,目前已經更新至第八版,其中包括來自838個供體、52個組織、兩個細胞系的17382份樣品的數據。

研究者們對這些樣品進行全基因組序列的測序分析,轉錄組表達量的分析,以及相互之間作用關聯的分析,以鑑定出哪些基因與哪些性狀有密切關聯。

這次研究首次發現,一個被命名為C9orf66的基因,與脱髮有關,這個基因在男性中的表達量遠高於女性;CCDC88C基因在女性中表達水平較高,它是一種與乳腺癌發病有關的基因;而新手寶媽最關心的嬰兒體重,可能與嬰兒本身無關,卻是和寶媽體內的HKDC1基因密切相關,該基因具有孕期血糖調節功能,它的表達影響女性生育的後代體重。

當然還有很多與現實生活密切相關的發現,例如一些基因的高表達會促進癌基因的表達;女性比男性長壽的關聯基因等,在最新的研究成果中,人們可以對早有跡象的生命活動在人類基因組的浩瀚長圖中“按圖索驥”,給出功能“註腳”。

鑑定出與疾病相關的罕見基因突變

關注並研究人類彼此間不同的0.1%基因,其實由來已久。學界通常將其命名為全基因組關聯研究(GWAS),顧名思義,是為了尋找基因與功能之間的關聯。

0.1%的不同基因序列,意味着在整個基因組30億個鹼基對中至少有30萬個常見的SNP(單核苷酸多態性,即單鹼基的變化)。“GWAS僅研究了常見的SNP位點,這就意味着仍有許多罕見變異尚未鑑定。”有分析認為,比起常見突變,罕見突變的研究需要更精確的測量,換句話説,只有大規模的全基因組分析(至少全外顯子測序)才能滿足研究的需要。

在此前發佈的第一階段和第二階段成果中,GTEx計劃也將注意力集中在常見突變對轉錄組的調控。而這次公佈的GTEx計劃第三階段成果終於拓展到了罕見突變。

相較其他數據庫,GTEx最大的優勢就是來自各種器官的基因表達。但是由於都是從意外死亡的個體獲得的樣本,除了性別、年齡等基本信息,GTEx並沒有個體非常詳盡的性狀信息。這次通過與之前做過罕見突變研究的英國生物樣本庫(UK Biobank)合作,鑑定出許多對基因表達有巨大影響的罕見突變,並找到相對應的關聯性狀(疾病)。這大大提升了GTEx自身研究的意義。

GTEx系列研究論文《通過跨器官的轉錄組信號,鑑定出有功能的罕見突變》中的研究結果表明,人類基因組包含的罕見突變會增加某些疾病風險,研究通過對838個全基因組數據,及多種器官的轉錄組數據的分析,檢測出了與極端基因表達量有關的罕見突變。研究者整合了來自49個器官的三種極端表達信號,最終首次鑑定出了具有高影響的罕見突變,並且和疾病做了關聯。

研究同時給出鑑定罕見突變的方法,可用於對個人基因組的解釋和罕見突變的發現,為研究罕見突變的基因功能、提高疾病檢測能力提供了有力手段。

試圖揭示不同器官中端粒長短規律

端粒是染色體的末端。由於端粒的長度反映細胞複製史及複製潛能,它被稱作細胞壽命的“有絲分裂鍾”。

端粒長短的變化被認為是人體走向衰老走近死亡的“鐘擺聲”。

迄今為止,端粒長度的差異還從沒被精確測量,尤其在人類不同器官中,端粒長短的規律是什麼,還摸不着頭緒。

GTEx計劃首次進行了系統的測量。更重要的是,研究者找到一種“標尺”——由於血細胞中端粒最短,其端粒長度能夠作為其他器官端粒長度的參考。

系列論文之一的《人類組織中端粒長度的決定性因素》表明,研究者測量了952例捐獻者的25種以上組織中的相對端粒長度。使用多因子定量分析技術(也叫Luminex分析法)對639個獨特組織樣本的端粒長度進行了測量,生成了最大的可共享數據集。

測量之後,研究團隊將數據與GTEx供體特徵、遺傳變異和組織特異性表達的數據相結合,使用模型分析,希望尋找端粒長短的變化究竟與哪些因素相關。最終發現,組織類型、供體年齡影響最大,而吸煙與否竟然也會對端粒長度有微調。

在檢測的不同組織中,端粒長度在血液中檢測的最短,在睾丸組織中測出的最長。在大多數組織中,端粒長度與年齡呈負相關,年齡越大端粒越短。研究還表明,基於祖先的端粒長度差異存在於生殖細胞中,並傳遞給受精卵。

作為人類基因組計劃的“續篇”,GTEx計劃不負眾望,揭示了很多重要謎團,積攢了更多數據,也開發了更有效的方法。

重大生命科學計劃的間接影響力是巨大的,例如人類基因組計劃大大推動了測序效率,使得全基因組測序速度一快再快,成本一降再降。

GTEx計劃的突破,其實更像為生命之謎這塊“硬骨頭”切開一個個口子,更大、更深的重要探索將吸引更多目光和研究的聚集,為人類“揭祕自我”積攢更多人氣和經驗值。

也難怪有研究者預測,隨着GTEx項目繼續深入開展,評價基因調控效應在疾病變化和不同環境中的差異將會獲得依據,有助於推動精準醫學研究計劃目標的實現。

編輯: 曾子芮 責任編輯: 孫紅亮

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