Cell新突破：基因“暗物质”的另一层功能

　　

——研究人员发现非编码基因突变会扰乱基因家族之间协同功能，这一发现对于多基因影响的疾病具有重要意义

生物通报道：约翰霍普金斯大学的研究人员通过解析一种罕见复杂的多基因疾病：Hirschsprung症，发现了更深层次的遗传机制，即这种疾病的患者是由于体内某个特殊基因的基因调控序列发生了多个突变，也就是说这些突变破坏了整个基因网络的协同功能。

这一研究成果公布在9月29日Cell杂志在线版上。领导这一研究的是约翰霍普金斯大学McKusick-Nathans遗传医学研究所教授Aravinda Chakravarti，他开创了所谓多基因复杂疾病研究的先河。

Chakravarti表示，“我们认为基因都是各过各的，但实际上它们不可能是单独存活。相反大家族中多个基因与调控元件都生活在同一条染色体上，不断的发生相互作用，每一个都有其自己的工作，但是都需要协同作用，完成一项基因功能，如果其中一个受到干扰，其它的也无法置身事外。”

Chakravarti很早就开始研究Hirschsprung症，这是一种先天性的紊乱，由于部分结肠缺乏神经细胞，因此无法放松，导致的结果就慢性便秘，腹部膨胀，在美国每5000个新生儿中就有一个受这种紊乱影响，但可以通过外科手术来治疗。虽然这种疾病有复杂的遗传成因，但它只有一个器官：结肠出现症状，因此是研究复杂遗传疾病的优秀模型。

在2002年和2015年，Chakravarti研究组分别通过全基因组关联研究 (GWAS) ，找到了与这一疾病相关的遗传突变，进一步的研究还确定了RET基因及其调控元件的重要影响——几乎每位Hirschsprung症患者都至少有一个RET相关突变。但是由于许多非Hirschsprung症患者也有这个突变，因此病理原因仍然是一个谜。

研究组成员决定试试分析 RET 基因附近特殊区域中的遗传代码SNP，这些所谓的基因增强子就像是开关，能通过结合合适的定位蛋白（转录因子），开启或关闭基因活性。

之后研究人员将RET基因换成了一个报告基因，在人类神经细胞系中进行了一系列的实验，发现只有三个SNPs在不同的增强子作用下，才能弱化增强子上结合转录因子的作用，减少基因活性。

研究人员检验了这三个SNPs的不同组合，结果表明虽然没有一个增强子能直接相互作用，但他们总结出了一个趋势：越多增强子受到影响，报告基因活性就越低。在这之后，研究人员又将实验扩展到了346位Hirschsprung症患者，和732位健康对照，从而确定了这一规律。出现这三个SNPs的人群具有Hirschsprung症四倍的患病风险。

进一步的小鼠实验中，研究人员发现这三个增强子是在发育胚胎肠道的不同发育时期发挥作用的，他们也找到了与其结合的转录因子。由此研究人员在小鼠中剔除了RET基因，检测其“基因家族”如何做出回应。结果三个与增强子结合的转录因子中有两个，在RET被沉默后活性降低，但在细胞表面与RET共同作用的蛋白，以及与RET结合的信号分子活性增加了，这些来自人体细胞的数据也表明降低转录因子的水平会减少RET的表达水平。

文章的第一作者Sumantra Chatterjee博士指出，“这一发现有助于解释RET相关的突变为何是Hirschsprung症的必需非充要条件。”

Chakravarti说，“我们证明了这些基因彼此关系密切，这不是因为它们序列或基因组位置相似，而是因为它们共同作用，执行一项功能。”

（生物通：张迪）

原文摘要：

Enhancer Variants Synergistically Drive Dysfunction of a Gene Regulatory Network In Hirschsprung Disease

Common sequence variants in cis-regulatory elements (CREs) are suspected etiological causes of complex disorders. We previously identified an intronic enhancer variant in the RET gene disrupting SOX10 binding and increasing Hirschsprung disease (HSCR) risk 4-fold. We now show that two other functionally independent CRE variants, one binding Gata2 and the other binding Rarb, also reduce Ret expression and increase risk 2- and 1.7-fold. By studying human and mouse fetal gut tissues and cell lines, we demonstrate that reduced RET expression propagates throughout its gene regulatory network, exerting effects on both its positive and negative feedback components. We also provide evidence that the presence of a combination of CRE variants synergistically reduces RET expression and its effects throughout the GRN. These studies show how the effects of functionally independent non-coding variants in a coordinated gene regulatory network amplify their individually small effects, providing a model for complex disorders.