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李明課題組在精神分裂症和抑郁症功能基因組學研究方面取得新進展
2020-09-23 來源:轉化基因組學科組 作者:
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  精神分裂症和抑郁症等複雜精神疾病是影響人類健康的重大公共衛生難題,然而因爲對這類疾病發病機制尚不完全清楚,對其診療往往存在難題。近年來世界範圍內的全基因組關聯分析(GWAS)研究報道了許多非編碼變異與精神疾病顯著相關,這些變異是否存在生物學功能及相關機制仍需深入探索。 

  例如,GWAS研究發現染色體16p11.2區域的常見變異(common variant)與精神分裂症的發生風險顯著相關,但具體的分子機制仍未知。通過系統分析公共數據庫中16p11.2染色體區域的腦組織基因表達eQTL數據和H3K4me1等甲基化組蛋白的ChIP-seq數據,我們發現一個常見變異 rs4420550所在位點,顯著富集了一系列標志著轉錄調控效應的表觀修飾蛋白,提示它很可能具有功能後果,且該變異與MAPK3基因的mRNA表達顯著相關。然而,rs4420550在染色體上距離MAPK3基因有200kb以上,該位點是否存在遠端調控作用機制,是一個有趣且非常重要的問題,對于我們了解精神分裂症複雜的基因調控非常必要。 

  我們通過分析腦組織和細胞系的甲基化組蛋白ChIP-Seq數據,發現rs4420550可能位于DNA增強子區域,並利用雙熒光報告基因實驗證實了這一猜想。隨後,通過染色質構象捕獲技術,我們發現rs4420550所在區域與MAPK3基因啓動子直接經由染色體回環交互作用。與此同時,我們也在細胞水平針對rs4420550進行單堿基的基因編輯,並得到了在rs4420550位點分別攜帶G/GA/A純合基因型的細胞群(圖1),且已通過RNA-seqATAC-seq分析發現了包括MAPK3在內的多個表達差異顯著的基因。功能表型分析發現,攜帶rs4420550不同基因型的細胞表現出顯著的增殖效率的差異。 

  該研究結果鑒別了一個具有增強調控效應的常見變異,可以影響細胞功能及精神分裂症的遺傳風險。這個結果爲我們認識精神分裂症複雜的遠程基因調控作用提供了一個範例。相關結果日前以Functional genomics identify a regulatory risk variation rs4420550 in the 16p11.2 schizophrenia-associated locus爲題在線發表于Biological Psychiatry雜志(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0006322320319247)。常宏副研究员、博士研究生蔡欣和李慧娟为该論文的并列第一作者,肖潇副研究员和李明研究员为该論文的共同通讯作者。该工作受到了罗雄剑研究员及姚永刚研究员的建设性帮助和支持。该研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院B類先導專項等項目的資助。 

  圖注1:細胞水平針對SNP rs4420550的單堿基編輯     

  我們早期發現,在染色體10q24.32區域中,精神分裂症的風險變異rs7085104與一個人類特異的可變數目串聯重複序列(VNTR)高度連鎖,且在歐洲和非洲人群中都與剪接體AS3MTd2d3mRNA表達顯著相關(Nature Medicine 2016; 22:649-656)。近期,我們利用體外的微基因剪接系統(minigene splicing assay)證實,該VNTR可以直接調控剪接體AS3MTd2d3的表達,並且在中國人群腦組織中VNTR也與AS3MTd2d3表達顯著相關,證實這可能是一個精神分裂症的決定性的風險變異。在體外培養的大鼠海馬神經元中過表達剪接體AS3MTd2d3,可以導致蘑菇狀樹突棘密度的顯著下降(圖2),這與臨床上精神分裂症患者腦中觀察到的現象一致,提示了該剪接體潛在的生物學機制。該研究結果日前以A human-specific schizophrenia risk tandem repeat affects alternative splicing of a human-unique isoform AS3MTd2d3 and mushroom dendritic spine density爲題在線發表于Schizophrenia Bulletin雜志(https://academic.oup.com/schizophreniabulletin/advance-article-abstract/doi/10.1093/schbul/sbaa098/5871224?redirectedFrom=fulltext)。博士研究生蔡欣和杨智辉为该論文的并列第一作者,常宏副研究员和李明研究员为该論文的共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金等项目的资助。 

  圖注2:剪接體AS3MTd2d3影響蘑菇狀樹突棘的密度     

  此外,我們還對另一種社會負擔沈重的精神疾病-抑郁症的遺傳易感機制進行了探索。通過對前人報道的染色體1p31.1區域與抑郁症相關的遺傳變異進行進一步研究,我們證實了其中一個歐洲人群中的疾病風險變異rs12129573在我国汉族人群中也與疾病显著相关,并发现该风险變異和一个人类特异的Alu變異rs70959274高度連鎖。鑒于Alu變異片段较长,且已知多在疾病及表型相关的GWAS位點富集,它們很可能發揮重要的功能影響。據此,我們對rs70959274進行了深入分析,發現它位于一個長鏈非編碼RNA LINC01360的啓動子區域。值得注意的是,rs70959274的插入變異与LINC01360mRNA低表達顯著相關,由于該插入片段中有多個CpG位點,且大多處于高度甲基化狀態,很可能是通過表觀遺傳修飾相關機制對基因表達産生影響。我們通過報告基因實驗,證實rs70959274的插入變異可以抑制转录活性;当利用CRISPR/Cas9刪除掉該段序列後,LINC01360的表達顯著上調。與此同時,rs70959274插入序列的刪除亦導致其它抑郁症風險基因(DRD2FLOT1)的表達變化。進一步蛋白信號網絡分析發現,該插入序列的改變顯著影響突觸傳遞、神經發生、學習記憶、PI3K-Akt等一系列生物學過程的基因表達改變。該研究結果日前以Identification of a functional human-unique 351-bp Alu insertion polymorphism associated with major depressive disorder in the 1p31.1 GWAS risk loci爲題在線發表于Neuropsychopharmacology雜志(https://www.nature.com/articles/s41386-020-0659-2)。博士研究生刘伟鹏、蔡欣、杨智辉以及新乡医学院的李文强副教授为该論文的并列第一作者,肖潇副研究员、李明研究员和新乡医学院的吕路线教授为该論文的共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金等项目的资助。 


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