10 年有成!GTEx 发布跨细胞、组织的基因调控变异全面图谱!

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美国国家卫生研究院(NIH)携手麻省理工学院和哈佛大学的研究人员于 2010 年启动基因型组织表现计画(Genotype-Tissue Expression, GTEx),以辨识和定位定量性状基因座(quantitative trait loci, QTL),即基因体中特定位置的遗传变异与多种组织内的基因表现之间的关联性。研究团队透过全基因体关联研究(genome-wide association studies)发现的绝大多数遗传变异反应到基因组非编码 DNA 的区域,显示这些变异体透过影响基因的表现,而不是借由改变它们编码的蛋白质来发挥功能。

为了厘清这些关联性,GTEx 蒐集 1000 名死后捐赠者的 50 种组织类型(主要有大脑、心脏、肺、前列腺、子宫等)的样本,然后进行基因分型和测量基因表现,目标是确定尽可能多的基因的 QTL,并确定它们的作用是否在多种组织或细胞类型之间共享。

经过 10 年的努力,GTEx 的研究团队于 9 月 11 日将最新结果(第 8 版)发表于《Science》,介绍了跨细胞类型和组织的基因调控变异综合图谱,并且分析这些变化可能会增加疾病风险,发现许多基因受到多个 QTL 的影响。这种现象称为“等位基因异质性”(allelic heterogeneity),反应 GTEx 组织样品代表多种细胞混合物的事实。该数据的大小几乎是 2017 年发布的 GTEx 论文的 2 倍。

该研究团队蒐集 838 名死后捐赠者的 49 种组织样本以及 15201 个RNA定序样本。他们对控制 23000 多个基因表现的 QTL 进行了分类,其中多个 QTL 调节了许多基因。其中,包括直接影响基因表现(eQTL)或在基因内剪接(sQTL)的变体,接近其所控制基因的变体(cis -QTLs)和位于染色体而在标靶基因之外的变体(trans – QTLs)。结果显示,QTL 在表现效果上倾向于组织特异性,或者在所有组织中广泛共享,并且揭示了性别之间和不同人群在 QTL 效果上的差异。

若从机制上来分析,这些发现提示 QTL 通常会影响细胞的转录因子与启动子(promoter)或增强子(enhancer)的结合,进而影响该基因的表现,并且提供了基准以让他们更深入地了解 QTL 所扮演的角色。

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为了对 QTL 的细胞特异性有更细微的了解,并了解不同细胞类型的 QTL 对组织表现观察的贡献程度,该研究团队使用了该计画的 RNA 分析数据,可透过计算辨识 GTEx 组织样品内存在的细胞类型。然后,他们检查了那些组织中定位的 QTL 是否可能对所推断的细胞类型具有特异性。结果显示,有数千个细胞类型相互作用 QTL,其中许多以前没有被鉴定过,显示可能存在更多的细胞类型特异性 QTL,但如果没有其他样品或改进的方法,则无法检测到。另外,跨组织的 QTL 共享和特异性模式可能与这些组织是否共享细胞类型有关。即使在细胞类型表现上,多个 QTL 也会影响任何给定的基因,有时共同作用以增强表现,有时与现实表现的下降相反,具体取决于个体的基因型。

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参考资料:
1. Science, 2020 DOI: 10.1126/science.aaz1776
2. https://www.broadinstitute.org/news/gtex-consortium-releases-fresh-insights-how-dna-differences-govern-gene-expression

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