《科學》封面重磅：人類遺傳學研究迎來又一重大裡程碑！GTEx計劃終極一劍，人類基因調控圖譜徐徐展開丨科學大發現

2001年，人類基因組工作草圖發布，人類史上繼曼哈頓計劃、人類登月計劃之後的第三大科學計劃宣告基本完成。至此，人類染色體中所包含的六十億對核苷酸序列不再是黑箱，人類遺傳學密卷徐徐展開。

但這就是人類基因的全部秘密了嗎？

圖源 | Science

我們知道，基因與疾病和健康息息相關，全基因組關聯研究已經發現了無數與疾病有關的突變位點；同時我們也知道，基因組中編碼蛋白質的基因其實只有1%-2%。這意味著大量疾病有關的突變其實並不直接產生致病蛋白，而是在調控其他基因的過程中起作用。

對這部分基因如何運作，我們近乎一無所知。

為了解決這個問題，2010年，一項名為基因型組織表達（GTEx）的項目啟動了。該項目收集了來自近1000個個體的54個組織的未患病樣品，試圖通過分子測定闡明基因組表達調控和遺傳變異之間的秘密。

就在今天，GTEx計劃公布了第三階段、也是最後一階段的分析成果，數據以系列論文的形式發表，獲得了《科學》雜誌的封面報導。今天我們選擇了其中較為重要的6篇作簡單介紹，以饗讀者。

本期《科學》封面

GTEx基因調控圖集

GTEx數據集已經更新至第八版，其中包括來自838個供體、52個組織、兩個細胞系的17382份樣品。《科學》發表的第一篇論文中[1]，使用了其中49個組織或細胞系、共計15201個樣本，並獲得了基因型數據和RNA測序數據。

所有的838個捐助者中，85.3%為歐洲裔美國人，12.3%為非洲裔美國人，1.4%為亞裔美國人，1.9%為西班牙裔或拉丁美洲裔。男性佔比66.4%。

通過全基因組測序（中值測序深度32x），研究團隊共檢測到43066422個單核苷酸變體，並對這些遺傳變異與基因調控之間的關係進行了分析，包括對基因表達、剪切、長非編碼RNA、順/反式調節等過程的影響。

下面我們來看一些主要的發現。

首先，性別對基因調控存在明顯的影響，在44個男女均有的組織中，研究者鑑定出了369種男女有別的調控基因，它們的分布與組織特異性存在關聯，大部分發現於乳房，肌肉、皮膚、脂肪組織中也比較常見。

分析涉及的組織類型

特別值得注意的是，有些差異信號似乎只在單個性別中存在。比如說在骨骼肌中鑑定到的rs2273535突變與癌基因AURKA調控有關，但是這種關聯僅存在於男性當中。

對來自不同種族供體樣本的分析也顯示，基因變體對不同族群的表達調控影響是不同的。

其次，研究者對比了不同組織之間的差異，發現表達調控效應並不一致，大腦、睪丸、淋巴母細胞系、血液以及肝臟尤為特殊，其他大多數組織器官則比較相似。這意味著，在對遺傳調控的研究上，血液並不能很好地代表其他組織，皮膚反而可能是更好的選擇。

研究者也分析了不同細胞類型中的差異，表明組織間共享的細胞類型可能是組織間相同遺傳調控作用的基礎。

最後，研究者還對單一變異表現出的多種調節效應進行了分析，提出遺傳效應的複雜多效性機制，單個突變可以表現出對多個組織的調節作用，並轉化為不同的生理特徵。

更詳細的信息我們在下面的幾篇論文中進行介紹。

不同組織基因表達「男女有別」

男性與女性之間的差異，不僅僅是性染色體組成上XX和XY這一條。在芝加哥大學科學家研究檢測的44類組織中，幾乎都有基因在兩性之間，存在表達水平的不同[2]。

總體來看，人類有37%的基因在某一類組織中的表達水平，會因為性別不同而出現區別，比如在女性中表達水平與性別關係比較明顯的，是一種與乳腺癌發病有關的基因——CCDC88C，以及孕期調節血糖，影響後代出生體重的HKDC1基因。

而在男性當中，表達水平與性別關係比較明顯的，則是與男性出生體重有關的CLDN7基因，以及與體脂比有關的DPYSL4基因。另一個男性表達較多的C9orf66基因，則是在本次研究中被首次發現與萬惡的脫髮模式有關。

男女之間的差異

研究總共發現了58項此前未報告過的男女性別差異導致的基因表達水平不同，涵蓋的範圍也非常廣泛。把這些基因對應的特徵，與流行病學或臨床研究中發現的男女差異結合起來，就可以針對性地去開發診斷、治療和評估預後的手段了。

最簡單的例子，像上面的CCDC88C既然在女性乳腺中才高表達，就可以專門用來評估女性的乳腺癌風險和疾病進展。而像女性比男性更長壽，系統性紅斑狼瘡（SLE）等自身免疫疾病發病率高之類的男女差異，也可以被利用起來。

有了這些基因表達層面的發現，就能幫助科學家們理解許多疾病發病傾向和生理特徵的性別差異，從而更個體化地了解人體，調節疾病和健康。

不容忽視的罕見變異

很多人可能會覺得，罕見基因變異是遠在天邊的東西，但其實真要把基因組過一遍，也許每個人身上都有成千上萬的罕見變異。

不管是相對最簡單的單個核苷酸改變、插入或缺失突變，還是更複雜一些的染色體片段甚至結構變異，只要這些改變在全人群中的發生率不到1%，都可以被列入罕見範疇。而在這些變異中，就會有一些對人體的生理特徵或疾病有所影響。

正因為罕見基因變異可能的數字會非常巨大，GTEx研究也只分析了49種組織中「可能產生較大影響」的變異。研究發現，可能對基因表達產生明顯影響的罕見基因變異，在一部分捐贈者的組織樣本中竟然能超過50種！[3]

確定罕見變異的過程

研究團隊把產生影響的罕見變異劃分為了三類：導致極端狀態的基因表達型（eOutliers）、影響等位基因表達型（aseOutliers）和導致選擇性剪接型（sOutliers），

這其中的一些罕見變異，可能是與癌症等疾病存在直接關聯的。

舉個例子來說，研究發現的一種罕見變異，可能會導致SPTBN1和EML6兩種基因發生融合，而NTRK、ROS1等很多融合突變都可能發揮促癌作用。針對它們的靶向治療策略，這幾年可是癌症研究中最熱門的課題之一。

對這樣的罕見基因變異有更深入的了解，才能對它們影響的生理特徵和疾病發生，有更進一步的認知，接下來才談得上調節和治療。

我們對人類不同類型細胞基因表達的調節所知非常有限

人類基因組計劃的完成讓我們對人類最底層的遺傳信息有了一定的認知，我們知道了一些基因變異與疾病之間的關係。至於基因突變是如何導致疾病的，咱們可以藉助轉錄組數據，從mRNA的表達上分析。

不過，基因變異又是如何影響基因的表達，也就是mRNA水平的呢？這就要藉助於表達型數量性狀位點（expression quantitative trait locus，eQTLs）和剪接型數量性狀位點（splicing Quantitative Trait Locus，sQTLs）。

研究流程示意圖

從名字上不難看出，eQTLs主要是控制基因的表達水平，sQTLs主要控制基因的可變剪接水平，它倆都直接地影響著mRNA的水平，影響蛋白的功能實現，最終決定咱們健康還是生病。

實際上科學家已經確定了大多數基因的eQTLs和sQTLs。然而，這些研究主要是通過混合組織樣本的基因表達測量來進行的，掩蓋了基因調控效應的細胞特異性，這就限制了對它們功能的解釋。我們都知道，不同類型細胞的基因表達在時空上都是存在差異的；因此，搞清楚不同細胞類型的eQTLs和sQTLs，對理解複雜的性狀非常重要。

由德國馬克斯·普朗克精神病研究所的Sarah Kim-Hellmuth，和紐約基因組研究中心的Tuuli Lappalainen聯合領銜的研究團隊[4]，對來自GTEx項目的35種組織的7種細胞類型（脂肪細胞、上皮細胞、肝細胞、角質細胞、肌細胞、神經元和中性粒細胞）的數據做了富集和評估，以繪製至少一種細胞類型特異性的QTLs。然後通過測試基因型和細胞類型富集之間的相互作用，繪製了細胞類型相互作用的eQTLs和sQTLs（分別為ieQTLs和isQTLs）。

主要研究結果

最終他們發現發現3347個蛋白編碼基因和基因間長鏈非編碼RNA（lincRNA）基因具有ieQTLs，987個基因具有isQTLs。而且ieQTLs主要富集在那些具有組織特異性的eQTLs裡，不同的組織之間不共享，這意味著組織特異性eQTLs來源於組織特異性細胞類型。也就是說有很多基因的變異只影響特定細胞類型的基因表達，在其他組織中就不起作用。

此外，研究人員還發現絕大多數細胞類型特異性QTLs還有待發現。

Kim-Hellmuth和Lappalainen團隊的研究不僅讓我們認識到基因表達調控的複雜性，還讓我們意識到從特定細胞層面來講，基因表達的調控還存在太多的未知需要探索。

不同組織端粒長度不一樣，隨年齡的變化趨勢也不盡相同

說起端粒，對衰老這個研究領域稍有了解的朋友一定不會陌生。

端粒是位於染色體末端的DNA蛋白複合物，它的職能是保護染色體末端不被降解和融合，有利於染色體的穩定。

科學家很早就注意到一個現象：端粒的DNA成分會隨著細胞的每次分裂而縮短，最終引發細胞衰老。因此，坊間有傳言說，「你端粒的長度決定了你的壽命」。

實際上，雖然血細胞的端粒長度（TL）作為人類衰老的生物標誌物和年齡相關疾病的危險因素已被廣泛研究，但是血細胞的端粒長度在多大程度上影響衰老和疾病，目前還沒有定論。另外，人類不同組織細胞的端粒長度究竟是如何變化的，目前也缺少研究。這都在一定程度上阻礙了我們對疾病和衰老的認知。

主要研究內容

由美國芝加哥大學Brandon L. Pierce領銜的研究團隊，基於952名GTEx捐獻者的超過25種組織類型，使用Luminex檢測法測量了6391個獨特的組織樣本相對於標準樣本的相對端粒長度（RTL），生成了迄今最大的公開多組織端粒長度數據集[5]。

通過分析，研究人員發現，端粒長度的變異可歸因於組織類型、捐贈者和年齡，其次是種族或民族、吸菸和已知影響白細胞端粒長度的遺傳變異。

不同組織類型的相對端粒長度不同，全血的相對端粒長度最短，睪丸的相對端粒長度最長。在大多數組織中，相對端粒長度與年齡成反比，這種關係在平均相對端粒長度較短的組織中最強。但睪丸、卵巢、小腦、陰道、骨骼肌、和甲狀腺等組織的相對端粒長度，不隨年齡增長而縮短。

不同組織的端粒長度

儘管如此，大腦和腎臟等大多數組織的端粒長度與全血細胞的端粒長度呈現出明顯的正相關關係，這說明測量血細胞的端粒長度能反應大部分組織的端粒狀況。而且，根據已知影響白細胞端粒長度遺傳變異設計的多基因評分，與所有組織的相對端粒長度相關。

此外，在所有組織或特定組織類型中，非洲血統與較長的相對端粒長度有關。端粒長度維持酶在睪丸中的水平比在任何其他組織都高。

以上研究結果對以白細胞為代表，研究端粒長度變化與疾病之間的關係提供了基礎。

比起基因，更要看蛋白質

蛋白質可以說是生命活動的直接參與者，對蛋白質的研究能夠幫助我們從分子上理解複雜的生理活動。目前我們對蛋白質的研究主要通過RNA進行，但是很多研究表明，蛋白質的水平其實和轉錄水平並不相關。

發表於《細胞》雜誌的這項研究對組織中的蛋白質水平進行了定量分析，並與RNA水平進行了對比，得到來自32個組織的12000餘個蛋白質的數據，其中包括一組新的蛋白質[6]。分析結果展現了許多未曾被發現的組織特異性蛋白質表達，以及很多無法單純從轉錄組數據中得知的生物學奧秘。

論文首頁截圖

分析結果中尤其值得關注的，是蛋白質與RNA在組織富集模式的差異。比如說在大腦中，豐富的神經遞質功能和細胞信號需要大量囊泡運輸蛋白的參與，但是大腦內卻並不表現出相關的RNA富集；反之，在沒有相應蛋白的組織中卻能夠發現特異的RNA轉錄。

這樣的差異與多種因素有關，比如蛋白的轉錄後或翻譯後調控，或是RNA及蛋白本身周轉率的不同，當然，也可能與檢測技術的極限有關。

對蛋白質和RNA組織特異性分布的分析結果顯示，蛋白質向其他組織的結構性分泌是二者水平差異的主要原因之一。通過蛋白質與RNA的協同分析，GTEx給出了豐富的有關結構蛋白和分泌蛋白的信息，資料庫也可以作為對分泌蛋白合成位點、潛在作用的分析工具。

此外，研究者還集中分析了不同組織中的酶對代謝調控的作用，以及致病蛋白的富集，這將有助於我們理解編碼基因突變引起的遺傳疾病，是如何通過蛋白質影響特定組織並引起疾病症狀的。

對組織特異性酶調控的分析

小結

GTEx至此基本完成，但這遠不是結束。從相關信息我們可以看出，GTEx納入的樣本特徵還遠遠不能滿足不同研究者的需求。

對納入族群的進一步擴大，對組織和細胞更詳細的分析，以及未來相關科研工具的進步將會給我們帶來更加難以想像的廣闊認知。

帶我們走近生命的全貌。

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參考資料：

[1] https://science.sciencemag.org/content/369/6509/1318

[2]https://science.sciencemag.org/content/369/6509/eaba3066

[3]https://science.sciencemag.org/content/369/6509/eaaz5900

[4]https://science.sciencemag.org/content/369/6509/eaaz8528

[5]https://science.sciencemag.org/content/369/6509/eaaz6876

[2]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31078-3#%20

本文作者 | 代絲雨 & 譚碩 & BioTalker

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