源起研究｜西湖大学团队绘制出迄今最全的RNA可变剪接遗传
近日西湖大学研究团队在国际期刊发表了四篇研究成果。其中，西湖大学施一公团队《人源IgM B细胞受体的冷冻电镜结构》“Cryo-EM structure of the human IgM B cell receptor” 的科研成果在Science发表。该成果首次报道了人源IgM同种型B细胞受体（IgM-BCR）的高分辨率三维结构，揭示了膜结合的IgM（mIgM）与Igα和Igβ异源二聚体复合物组装的分子机制，从而回答了B细胞受体如何组装这一重要科学问题，同时也为基于B细胞受体的免疫疗法提供了关键的结构基础。
另外，杨剑团队的研究成果也受到业界广泛关注，该团队主要绘制出了迄今最全的RNA可变剪接遗传调控图谱。
图 | 相关论文（来源：Nature Genetics）
北京时间2021年11月5日凌晨0时，相关论文以题为“A generalized linear mixed model association tool for biobank-scale data”发表在Nature Genetics，西湖大学副研究员祁婷博士为本文第一作者，西湖大学杨剑教授为本文通讯作者[1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Genetics）
该研究开发出一款高效的RNA可变剪接遗传调控位点（splicing QTL，简称sQTL）定位新方法，绘制出迄今为止最全面的可变剪接遗传调控图谱，并据此鉴定出100多个与帕金森病、阿尔茨海默病等脑部疾病相关的新易感基因。
1 在DNA变化和疾病的对应关系中发现了GWAS
科学研究进行到今天，基因、DNA已经成为大众耳熟能详的名词。已知人类的身高、容貌、个性以及对某一类疾病的易感性等，都是由大量的、效应微小的DNA片段的变化造成，这就是遗传变异。
那为什么有的人对疾病易感，而有的人不易感？答案就藏在每个人的基因组里，因为我们的基因组存在差异；这些差异发生在基因组的哪些位点，又对应了人体的哪些生老病死？西湖大学杨剑实验室一直致力于用统计学的方法，在浩如烟海的数据中寻找人体遗传的秘密，进而找到“对症下药”的方法。近日，他们又取得了重要进展。
为了寻找这些DNA变化与人类疾病之间的对应关系，一种被广泛用于检测遗传变异与表型之间关联的实验设计——全基因组关联分析（GWAS）应运而生。它利用统计学方法寻找与疾病相关联的遗传因素，进而揭示与疾病发生、发展相关的基因组变异位点。
作为这一领域的佼佼者，杨剑团队此前提出了一系列统计遗传学分析方法，成为全基因组关联分析领域的主流方法，并鉴定出大量与精神分裂等疾病易感关联的基因组变异位点（简称“疾病易感位点”）。
但在研究过程中，他们产生了新的困惑。
识别功能基因和其他大脑相关表型变异,可提高基因组风险预测。该研究表明,中度sGene-eGene重叠在前studies6是由于小n的重叠是一个函数，只有大约8%的sGenes。当n = 100时,这一比例增加到64%,n增加到1073人。
然而,即使对于重叠基因,底层sQTL和eQTL causalvariants可以不同。在这项研究中,杨剑团队估计sQTLand eQTL因果变异共享(PP4 > 0.8)只有大约42%(= 3980/9389)的重叠基因。这42%甚至可能估计过高,因为有限的权力的COLOC PP4统计在区分密切联系和分享,特别是当n是不够的。
来源：Nature Genetics
杨剑表示，我们通常认为，基因组变异对疾病易感性的影响是通过调控基因表达量实现的。但我们发现，有很大比例的疾病易感位点不能被这种机制所解释，有时候一个基因组变异位点不影响任何基因的表达量，却仍然对疾病易感性有显著影响。
2“可变剪接”揭示疾病不同的易感性原因
他们进一步研究认为，其中一个重要原因或许是此前大多数研究只关注基因表达的“总量”，而忽略了“成分”，例如可变剪接造成的RNA成分变异。
什么是可变剪接？
生物学中心法则描述了遗传信息的传递过程，即DNA——RNA——蛋白质。DNA先根据碱基互补配对原则合成前体信使RNA（pre-mRNA），再把pre-mRNA中，不编码蛋白的部分“剪”掉，编码蛋白的部分“接”到一起，形成“成熟信使RNA”，用于指导蛋白合成，从而完成基因表达。
但这种“剪”与“接”，并不是一成不变的。下面这张图Pre-mRNA在不同的位置被剪接，会生成不同的形态，有的是三段蛋白编码区组合在一起，有的是两段组合在一起，类似我们儿时学过的“排列组合题”，因为不同的组合方式，导致结果不同，这个过程就称之为“可变剪接”。
图 | RNA可变剪接的遗传调控（来源：Nature Genetics）
顾名思义，正是因为这种剪接“可变”，最终导致个体之间剪接产物的差异，进而产生对疾病不同的易感性。
顺着这一思路，杨剑团队经过大量的理论推导与计算模拟，开发出了一款高效的RNA可变剪接遗传调控位点定位新方法，将其命名为THISTLE。他们将该方法应用于2865个人类脑组织的转录组和基因组数据的分析，成功鉴定出约200万个遗传变异位点与12794个基因的可变剪接事件关联，进而绘制出迄今为止样本量最大、剪接事件最全面的RNA可变剪接遗传调控图谱。
随后，研究团队将该图谱映射到抑郁症、精神分裂、帕金森氏症、阿尔兹海默症等大脑相关性状和疾病的GWAS数据中，找到了100多个新易感基因。新鉴定出的疾病易感基因，不仅可以作为潜在药物靶点，还可以作为生物标志物预测疾病风险。
图 | 遗传变异通过调控DGKZ基因的可变剪接影响精神分裂的易感性（来源：Nature Genetics）
3 为复杂疾病遗传机制研究提供新方向
这项研究中,在人类大脑中产生了基因变异的综合目录与广泛的可变剪接相关事件,并且展示了受益使用记录和文件sQTL映射策略结合sQTL检测。杨剑团队证实了RNA可变剪接在疾病遗传调控机制中发挥着独特的重要作用，揭示了基因组变异通过对可变剪接的遗传调控来影响疾病发生发展的普遍性，为研究人类复杂疾病的遗传机制提供了新方向。
回望过去近三年的研究过程，西湖大学副研究员祁婷博士表示，他们遇到的最大挑战是“方法创新”和“大数据分析”。
譬如，分析近3000个人类脑组织转录组和基因组数据是一个什么概念？每个人有上千万条RNA序列数据、几千万个基因组变异位点、十几万个转录本、几万个基因，将这些数据排列组合，精准找到“发布指令”操控剪刀的位点，简直犹如大海捞针……
而她和团队开发的sQTL定位方法（THISTLE）和相应的计算机软件拥有超高的灵敏度和运算速度，可以把这看似不可能的任务变为可能，并且该方法可用于不同物种、组织或细胞类型，未来的应用潜力巨大。
1、Ting Qi, Yang Wu, Hailing Fang, Futao Zhang, Shouye Liu, Jian Zeng & Jian Yang，Genetic control of RNA splicing and its distinct role in complex trait variation
https://www.nature.com/articles/s41588-022-01154-4
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