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李明课题组在精神分裂症和抑郁症功能基因组学研究方面取得新进展
2020-09-23 来源:转化基因组学科组 作者:
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  精神分裂症和抑郁症等复杂精神疾病是影响人类健康的重大公共卫生难题,然而因为对这类疾病发病机制尚不完全清楚,对其诊疗往往存在难题。近年来世界范围内的全基因组关联分析(GWAS)研究报道了许多非编码变异与精神疾病显著相关,这些变异是否存在生物学功能及相关机制仍需深入探索。 

  例如,GWAS研究发现染色体16p11.2区域的常见变异(common variant)与精神分裂症的发生风险显著相关,但具体的分子机制仍未知。通过系统分析公共数据库中16p11.2染色体区域的脑组织基因表达eQTL数据和H3K4me1等甲基化组蛋白的ChIP-seq数据,我们发现一个常见变异 rs4420550所在位点,显著富集了一系列标志着转录调控效应的表观修饰蛋白,提示它很可能具有功能后果,且该变异与MAPK3基因的mRNA表达显著相关。然而,rs4420550在染色体上距离MAPK3基因有200kb以上,该位点是否存在远端调控作用机制,是一个有趣且非常重要的问题,对于我们了解精神分裂症复杂的基因调控非常必要。 

  我们通过分析脑组织和细胞系的甲基化组蛋白ChIP-Seq数据,发现rs4420550可能位于DNA增强子区域,并利用双荧光报告基因实验证实了这一猜想。随后,通过染色质构象捕获技术,我们发现rs4420550所在区域与MAPK3基因启动子直接经由染色体回环交互作用。与此同时,我们也在细胞水平针对rs4420550进行单碱基的基因编辑,并得到了在rs4420550位点分别携带G/GA/A纯合基因型的细胞群(图1),且已通过RNA-seqATAC-seq分析发现了包括MAPK3在内的多个表达差异显著的基因。功能表型分析发现,携带rs4420550不同基因型的细胞表现出显著的增殖效率的差异。 

  该研究结果鉴别了一个具有增强调控效应的常见变异,可以影响细胞功能及精神分裂症的遗传风险。这个结果为我们认识精神分裂症复杂的远程基因调控作用提供了一个范例。相关结果日前以Functional genomics identify a regulatory risk variation rs4420550 in the 16p11.2 schizophrenia-associated locus为题在线发表于Biological Psychiatry杂志(http://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论文的并列第一作者,肖潇副研究员和李明研究员为该论文的共同通讯作者。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类先导专项等项目的资助。 

  图注1:细胞水平针对SNP rs4420550的单碱基编辑     

  我们早期发现,在染色体10q24.32区域中,精神分裂症的风险变异rs7085104与一个人类特异的可变数目串联重复序列(VNTR)高度连锁,且在欧洲和非洲人群中都与剪接体AS3MTd2d3mRNA表达显著相关(Nature Medicine 2016; 22:649-656)。近期,我们利用体外的微基因剪接系统(minigene splicing assay)证实,该VNTR可以直接调控剪接体AS3MTd2d3的表达,并且在中国人群脑组织中VNTR也与AS3MTd2d3表达显著相关,证实这可能是一个精神分裂症的决定性的风险变异。在体外培养的大鼠海马神经元中过表达剪接体AS3MTd2d3,可以导致蘑菇状树突棘密度的显著下降(图2),这与临床上精神分裂症患者脑中观察到的现象一致,提示了该剪接体潜在的生物学机制。该研究结果日前以A human-specific schizophrenia risk tandem repeat affects alternative splicing of a human-unique isoform AS3MTd2d3 and mushroom dendritic spine density为题在线发表于Schizophrenia Bulletin杂志(http://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论文的并列第一作者,常宏副研究员和李明研究员为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金等项目的资助。 

  图注2:剪接体AS3MTd2d3影响蘑菇状树突棘的密度     

  此外,我们还对另一种社会负担沉重的精神疾病-抑郁症的遗传易感机制进行了探索。通过对前人报道的染色体1p31.1区域与抑郁症相关的遗传变异进行进一步研究,我们证实了其中一个欧洲人群中的疾病风险变异rs12129573在我国汉族人群中也与疾病显著相关,并发现该风险变异和一个人类特异的Alu变异rs70959274高度连锁。鉴于Alu变异片段较长,且已知多在疾病及表型相关的GWAS位点富集,它们很可能发挥重要的功能影响。据此,我们对rs70959274进行了深入分析,发现它位于一个长链非编码RNA LINC01360的启动子区域。值得注意的是,rs70959274的插入变异与LINC01360mRNA低表达显著相关,由于该插入片段中有多个CpG位点,且大多处于高度甲基化状态,很可能是通过表观遗传修饰相关机制对基因表达产生影响。我们通过报告基因实验,证实rs70959274的插入变异可以抑制转录活性;当利用CRISPR/Cas9删除掉该段序列后,LINC01360的表达显著上调。与此同时,rs70959274插入序列的删除亦导致其它抑郁症风险基因(DRD2FLOT1)的表达变化。进一步蛋白信号网络分析发现,该插入序列的改变显著影响突触传递、神经发生、学习记忆、PI3K-Akt等一系列生物学过程的基因表达改变。该研究结果日前以Identification of a functional human-unique 351-bp Alu insertion polymorphism associated with major depressive disorder in the 1p31.1 GWAS risk loci为题在线发表于Neuropsychopharmacology杂志(http://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论文的并列第一作者,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论文的共同通讯作者。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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