2016年4月25日/生物谷BIOON/--在一項新的研究中，來自美國懷特海德研究所等機構的研究人員利用一種新方法確定了在全基因組關聯研究（genome-wide association study, GWAS）中鑑定出的一種非編碼突變如何能夠增加散發性帕金森病（sporadic Parkinson's disease）發病風險。這種方法可能也能夠用於分析其他的散發性遺傳病的GWAS結果。相關研究結果於2016年4月20日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Parkinson-associated risk variant in distal enhancer of α-synuclein modulates target gene expression」。
論文通信作者、麻省理工學院生物學教授Rudolf Jaenisch說，「這真正是我們首次基於GWAS研究中鑑定出的風險基因突變，在機制上和分子水平上理解一種突變如何能夠提高患病風險。」
大約90%的帕金森病病例是散發性的，是由環境風險因素和常見的遺傳風險之間的複雜相互作用導致的。鑑於科學家們很難分析這些相互作用，之前的大多數研究著重關注罕見的家族性帕金森病。用於鑑定增加一種特定疾病發生風險的常見突變的GWAS研究也被用於研究散發性帕金森病，但是只取得有限的成功。
利用GWAS研究能夠標記出作為一種給定疾病的風險因素的突變在基因組上發生的大概位置。然而，GWAS研究並不能揭示出潛在的致病性突變的具體位置，更不能表明一種突變是否導致一種疾病發生（如果真發生的話）。比如，在散發性帕金森病中，多項GWAS研究指出α-突觸核蛋白基因（alpha-synuclein, SNCA）是病人基因組中風險最強的位點之一，但是GWAS研究很少含有關於這種基因在散發性帕金森病中如何受到異常調節的機制方面的信息。
為了觀察攜帶SNCA基因的同一條染色體上相隔較遠的基因調節元件是否能夠影響α-突觸核蛋白（SNCA）在細胞中的水平，研究人員研究了在GWAS研究中鑑定出的兩種位於公認的SNCA增強子上的風險突變。
研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯方法將這兩種突變引入同基因的人多能性幹細胞中，而且只是改變一條染色體上的基因突變，另一條染色體仍然保持不變，起著內控的作用。這種方法就可以非常高可信度地測量非常微小的影響，同時消除任何遺傳或表觀遺傳修飾的影響和實驗期間能夠發生的細胞培養相關變化。
論文第一作者、Jaenisch實驗室高級研究員Frank Soldner說，「我們的方法解決了GWAS研究的一個重大缺點：利用GWAS研究產生的關聯性，不能夠區分基因組中靠得比較近的兩種突變之間的影響。這種物理位置上的接近意味著它們將總是在遺傳期間一起分離，這就是我們為何必須做的事情---對每種突變進行獨立地修飾和分析，同時讓基因組剩餘部分完全保持不變。」
在讓這些人多能性幹細胞分化為神經元之後，研究人員注意到SNCA表達發生變化。儘管這兩種突變中的一種沒有影響，但是另外一種突變（從鹼基A變成鹼基G）稍加地但不可忽略地提高SNCA表達水平。根據Soldner的說法，當與家族性帕金森病中提高的SNCA表達相比，A→G突變帶來的輕度影響在一生當中足以增加患上散發性帕金森病的風險。
為了觀察這種突變如何影響SNCA表達，研究人員研究了他們鑑定出的兩種轉錄因子EMX2和NKX6-1是否能夠結合到攜帶這種突變的SNCA增強子上。當這種增強子未發生突變時，這兩種轉錄因子能夠結合到增強子上，抑制SNCA表達。如果這種增強子發生A→G突變，那麼這兩種轉錄因子不能夠結合到增強子上，因而SNCA處於激活狀態。
Jaenisch說，這種鑑定SNCA增強子單點突變的方法可能能夠用來準確找到散發性帕金森病的其他致病基因，並且篩查對其他疾病（包括阿爾茨海默病、癌症、糖尿病和多發性硬化症）進行GWAS研究時發現的風險基因。（生物谷 Bioon.com）
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Parkinson-associated risk variant in distal enhancer of α-synuclein modulates target gene expression
doi:10.1038/nature17939
Frank Soldner, Yonatan Stelzer, Chikdu S. Shivalila, Brian J. Abraham, Jeanne C. Latourelle, M. Inmaculada Barrasa, Johanna Goldmann, Richard H. Myers, Richard A. Young & Rudolf Jaenisch
Genome-wide association studies (GWAS) have identified numerous genetic variants associated with complex diseases, but mechanistic insights are impeded by a lack of understanding of how specific risk variants functionally contribute to the underlying pathogenesis1. It has been proposed that cis-acting effects of non-coding risk variants on gene expression are a major factor for phenotypic variation of complex traits and disease susceptibility. Recent genome-scale epigenetic studies have highlighted the enrichment of GWAS-identified variants in regulatory DNA elements of disease-relevant cell types2, 3, 4, 5, 6. Furthermore, single nucleotide polymorphism (SNP)-specific changes in transcription factor binding are correlated with heritable alterations in chromatin state and considered a major mediator of sequence-dependent regulation of gene expression7, 8, 9, 10. Here we describe a novel strategy to functionally dissect the cis-acting effect of genetic risk variants in regulatory elements on gene expression by combining genome-wide epigenetic information with clustered regularly-interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9 genome editing in human pluripotent stem cells. By generating a genetically precisely controlled experimental system, we identify a common Parkinson’s disease associated risk variant in a non-coding distal enhancer element that regulates the expression of α-synuclein (SNCA), a key gene implicated in the pathogenesis of Parkinson’s disease. Our data suggest that the transcriptional deregulation of SNCA is associated with sequence-dependent binding of the brain-specific transcription factors EMX2 and NKX6-1. This work establishes an experimental paradigm to functionally connect genetic variation with disease-relevant phenotypes.