构建首个人群规模的胃组织单细胞 eQTL 图谱，揭示胃癌风险基因的细胞特异性调控机制

《Cell Genomics》：Single-cell eQTL mapping reveals cell-type-specific genes associated with the risk of gastric cancer

本文利用单细胞 RNA 测序，构建胃组织单细胞 eQTL 图谱，揭示胃癌风险基因的细胞特异性调控机制。

　　

胃癌（Gastric Cancer，GC）作为全球第五大常见癌症和第四大癌症死亡原因，其发病的遗传机制一直是研究的重点。尽管此前通过全基因组关联研究（Genome-Wide Association Studies，GWAS）已识别出超 20 个易感位点，但这些位点大多位于非编码基因组区域，其影响 GC 发展的具体机制仍不明确。为深入探究这一问题，研究人员开展了一项重要研究，通过单细胞 RNA 测序（Single-Cell RNA Sequencing，scRNA-seq）技术，构建了首个人群规模的胃组织单细胞 eQTL 图谱，为揭示 GC 相关基因的调控机制提供了新视角。

研究背景与目的

以往多数 eQTL 分析在异质性胃组织中进行，难以深入了解细胞类型特异性的调控机制。scRNA-seq 技术的出现为解决这一问题带来了可能，它能够同时评估细胞组成和捕捉个体细胞的异质性。本研究旨在利用 scRNA-seq 数据注释细胞类型，在细胞亚群水平进行系统的 eQTL 分析，并通过整合 GC 的 GWAS 数据集，确定细胞类型特异性 eQTL 与 GC 遗传风险位点的关联，以及识别 GC 的易感基因，从而为 GC 的研究提供更深入的分子机制解释。

研究方法

1. 样本采集与处理：研究人员从 203 名中国成年人的胃黏膜组织中获取样本，利用混合多重策略进行 scRNA-seq 分析。同时，采集血液样本进行基因分型，经过严格的质量控制，最终保留 399,683 个高质量细胞用于后续分析。
2. 细胞类型鉴定与聚类：通过降维分析，研究人员将细胞分为 7 种主要类型，并进一步细化为 19 个不同的亚群。这些分类基于先前研究中定义的标准标记基因，如上皮细胞中的 MUC6、MUC5AC 等，T 细胞中的 CD4、CD8A 等。
3. eQTL 分析：对所有胃细胞类型进行 eQTL 分析，确定遗传变异对基因表达的影响。通过两轮条件分析，共鉴定出 8,498 个独立的 eQTL，涉及 5,443 个基因（eGenes）。同时，开发了一个公开平台 —— 单细胞胃转录组浏览器（single-cell Gastric Transcriptome Explorer，scGaTE），方便研究人员浏览不同胃细胞类型中的 eQTL 和 eGenes。
4. 关联分析：将单细胞 eQTL 数据与 GC 风险相关联，评估 25 个已知 GC 风险相关位点的风险基因。通过共定位分析，确定 eQTL 信号与 GC GWAS 数据在各细胞类型中的共定位情况；通过细胞类型特异性转录组全关联研究（Transcriptome-Wide Association Study，TWAS），识别与 GC 风险相关的基因。
5. 调控机制探索：利用整合的单细胞转座酶可及染色质测序（single-cell assay for transposase accessible chromatin sequencing，scATAC-seq）数据，研究细胞类型特异性 eQTL 与细胞类型调控元件之间的关系，探索基因表达调控的潜在机制。

研究结果

1. 胃细胞群体特征：研究人员成功鉴定出 19 种独特的胃细胞亚群，并发现上皮细胞在供体中占比最高，其中黏液颈细胞和黏液 pit 细胞是主要的细胞亚群。同时，研究证实实验的稳定性和可重复性良好，批次效应对结果影响极小。
2. 生物和遗传因素对胃细胞组成的影响：分析 18 种宏观因素与胃细胞组成的关系后发现，幽门螺杆菌（Helicobacter pylori，H. pylori）感染、胃病变、性别等因素与胃细胞组成显著相关。H. pylori 感染对胃细胞组成影响最为广泛，显著影响 13 种细胞类型；胃病变也与细胞组成变化密切相关，如慢性萎缩性胃炎患者的某些上皮亚群明显减少。此外，通过 GWAS 发现 68 个独立遗传位点与不同细胞类型相关，遗传因素和 H. pylori 感染在塑造胃细胞组成中起重要作用。
3. 胃细胞中细胞类型特异性 eQTL 的全面鉴定和特征分析：研究鉴定出的 8,498 个独立 eQTL 中，大部分（81.3%）具有细胞类型特异性。不同细胞类型中 eQTL 的数量差异较大，且与细胞类型丰度和用于定位的个体数量呈正相关。进一步分析发现，上皮细胞和基质细胞中的一些 eQTL 存在共享模式，且共享 eGenes 在特定通路中富集，如上皮细胞中的谷胱甘肽代谢和有机酸生物合成通路，基质细胞中的细胞 - 细胞粘附通路。
4. 单细胞 eQTL 与批量 eQTL 的比较：对比单细胞 eQTL 与批量 eQTL 发现，细胞类型特异性表达水平与实际批量表达水平的相关性在不同细胞类型中有所差异。在批量 eQTL 和等位基因特异性表达（Allele-Specific Expression，ASE）分析中，上皮细胞系的一致性率较高，这表明 ASE 分析可能揭示更多细胞类型特异性的调控机制。
5. 细胞类型特异性 GC 相关位点的鉴定和注释：评估已知 GC 风险相关位点与 eQTL 的重叠情况时发现，上皮细胞系中的重叠最高。共定位分析识别出 17 个共定位信号，其中 4 个为新报道的信号。例如，在黏液颈细胞中，rs151953 与 ERAP1 共定位，其保护等位基因 C 降低了 ERAP1 的表达；在幼稚 B 细胞中，rs12039878 与 WASF2 共定位，风险等位基因 A 增加了 WASF2 的表达。
6. GC 的细胞类型特异性 TWAS：通过细胞类型特异性 TWAS，研究发现 15 个基因与 GC 风险显著相关。其中，MUC1 在壁细胞中的上调与 GC 风险降低相关，这是首次在调控水平上明确 1q22 风险位点在 GC 中作用的具体细胞类型。此外，还鉴定出一些位于新位点的候选基因，如在幼稚 B 细胞中的 WASF2、内分泌细胞中的 PHGR1 和尖端样内皮细胞中的 GCHFR 等。
7. 细胞类型特异性顺式 eQTL 与细胞类型调控元件的映射：研究发现，eSNP 的位置与开放染色质区域的距离在不同细胞类型中存在差异，且部分 eSNP 在多种细胞类型中与开放染色质区域重叠，而另一些则具有细胞类型特异性。例如，与 PSCA eQTL 相关的 eSNP 在多种细胞类型中广泛存在且与峰值重叠，而与 APOBEC2 eQTL 相关的 eSNP 仅在壁细胞中特异性重叠。

研究讨论

本研究通过 scRNA-seq 全面描绘了胃细胞类型组成和基因表达的变化，构建了胃细胞类型特异性的 cis-eQTL 数据库。研究结果进一步证实了 H. pylori 感染对胃细胞的影响，尤其是对免疫细胞的影响，以及炎症过程中上皮细胞的动态变化。此外，研究发现的大量细胞类型特异性 eQTL，不仅支持了以往关于多种组织中存在细胞类型特异性 cis-eQTL 的结论，还表明 scRNA-seq 在 eQTL 检测方面具有优势。通过共定位分析和 TWAS，研究人员不仅明确了已知 GC 易感位点相关基因的活跃细胞类型，还发现了一些新的共定位信号和候选基因，为深入理解 GC 的发病机制提供了重要线索。然而，本研究也存在一定的局限性。由于样本均来自中国人群，研究结果在其他人群中的普遍性有待进一步验证。此外，基因 - 环境相互作用在单细胞分辨率下的研究较少，尤其是 H. pylori 感染对 eQTL 映射的影响，需要更多的研究来深入探讨。同时，已鉴定出的 GC 相关基因的生物学机制也需要进一步的功能研究来验证。总体而言，本研究为胃癌的研究提供了丰富的资源和新的视角，有助于推动对胃癌发病机制的深入理解和精准治疗的发展。