细胞类型特异性染色质可及性的遗传调控塑造了脑疾病的病因学

这项研究分析了600多个个体数千个大脑细胞的ATAC-seq文库，识别出34,539个具有遗传调控变异的开放染色质区域。群体规模的大脑调控组研究与基因调控模式的进展相结合，将有助于为脑部疾病治疗发掘新的靶点。

　　

背景

人脑中细胞类型特异的基因调控元件中的核苷酸变异是人类疾病的危险因素。全基因组关联研究(GWASs)已经确定了数百个与各种脑部疾病（例如精神分裂症、阿尔茨海默病、双相情感障碍和重度抑郁症）风险增加相关的基因位点。许多风险变异位于基因组中富含调控元件的非编码区域，也就是说，这些变异主要影响基因表达而不是蛋白质结构和功能。非编码疾病风险变异可以通过修改调控序列和影响染色质可及性来驱动基因表达变异。

染色质上的开放染色质区域(OCR)包含了启动子、增强子、绝缘子和转录沉默子等调控序列。因此，影响染色质可及性的遗传变异可能对基因表达具有激活或抑制作用。变异不仅可以通过改变开放染色质区域内的转录因子结合位点(TFBS)来影响可及性，还可以通过改变DNA甲基化、局部DNA形状和三维(3D)基因组结构来起作用。此外，变异可以驱动近端OCR中染色质可及性的变化，进而影响下游的其他的开放染色质区域(OCR)。

“数量性状基因位点”指控制某种可连续变化性状的多个基因在基因组上的位置，这些基因表达水平的高低与该性状连续变化有关；而基因组中能影响这些“数量性状基因”表达水平高低的区域——表达数量性状位点(expression quantitative trait loci，eQTLs）可通过影响基因的转录活性来调节基因表达，从而影响个体的表型特征。

由于染色质状态与转录活性的调控直接相关，因此在一个给定位点内有相似的染色质可及性QTLs (caQTLs)和细胞类型特异性的eQTLs信号共定位，可以发现基因表达和脑疾病性状之间共享的遗传调控信号，揭示将风险变异与致病基因和疾病机制联系起来的调控模式。识别疾病相关的调控元件可能为确定一系列神经精神和神经退行性疾病的治疗靶点提供手段。

研究

为了研究大脑中染色质可及性的遗传调控及其对神经退行性疾病的影响，作者使用从616个人类死后大脑的四个不同功能大脑区域分离出来的神经元和非神经元构建了1932个细胞类型特异性ATAC-seq(转座酶可及性染色质测序)文库，通过分析其染色质可及性，鉴定了34,539个带有染色质可及性QTLs (caQTLs)的开放染色质区域；研究表明染色质可及性的遗传控制是具有高度细胞类型特异性的。利用统计精细定位、eQTL和caQTL共定位以及等位基因特异性染色质可及性，作者确定了介导疾病风险变异影响的潜在分子机制。将来自6种脑部疾病的caQTL和eQTL结果与GWAS结果整合，鉴定出72个介导疾病风险的基因和92个开放染色质区域。

他们通过对人类诱导多能干细胞衍生的兴奋性神经元进行大规模平行报告分析(MPRA)，研究19,893种候选的因果变异的功能影响，作者确定了476种具有等位基因效应的变异。在全基因组范围内，他们发现基于神经元染色质可及性的变异注释，以及来自脑匀浆的神经元caQTL和eqtl的统计精细定位，可用于预测MPRA的等位基因折叠变化。大规模平行报告试验在rs3764512变异中发现了一种等位基因效应，预计它可以增加神经元中局部染色质的可及性，增加 RAB27B 表达并增加患重度抑郁症的风险。研究提供了一个全面的目录，捕捉人类大脑规则组的变异，提高我们对神经退行性疾病和神经精神疾病的分子基础的理解。

讨论

染色质可及性在基因表达的时空调控中起着关键作用。表观遗传调控在不同细胞类型之间差异很大。在这一项关于人脑不同细胞类型染色质可及性的遗传调控的大型研究中，从神经元和非神经元中识别出34,539个具有遗传调控变异的开放染色质区域，其中只有10.4%在它们之间是共享的，这进一步表明大脑中不同细胞类型的开放染色质结构是多样的。

精细图谱是理解疾病机制和确定哪些下游基因和途径受到影响的必要步骤。然而，仅使用来自GWASs的计算预测和统计精细图谱来克服LD结构、识别特定环境的因果变异仍然具有挑战性。在这项研究中，作者设计了一种逐步方法，通过将从人类死后脑组织中分离的神经元和非神经元的直接分析与高通量功能验证相结合，来提高精细定位。重要的是，细胞类型特异性caQTLs的发现有助于阐明驱动疾病风险的分子机制。例如，AD在非神经元中显示出高度富集的精细映射变异，而其他神经精神疾病和特征(SCZ和MDD)在神经元和非神经元中都显示出共同的富集。共定位分析鉴定了具有共享遗传调控的细胞类型特异性caQTL-eQTL-GWAS三重位点。这些结果指出了驱动疾病风险的已知和以前未识别的基因、开放染色质区域和细胞类型。

这项研究提供了一个群体规模的人类大脑调控组资源，有助于深入了解大脑疾病的病因。最近的单细胞技术在未来群体规模研究中的应用将提高分辨率，以进一步定义细胞类型特异性效应。随着基因治疗领域的不断进步，广泛的精神和神经多因子和多基因疾病的风险位点与人类大脑调节区域的联系在治疗应用方面具有很大的前景。值得注意的是，使用CRISPR干扰(CRISPRi)或CRISPR激活(CRISPRa)方法靶向调控元件可以靶向和修饰调控元件的活性，其目的是将转录调控机制恢复到病前状态。这些技术具有高度的时空特异性，允许对基因调控进行精确控制，降低脱靶效应的风险，并有可能提高基因调节疗法的安全性和有效性。群体规模的调控组研究与基因调控模式的进展相结合，无疑将为未来治疗脑部疾病提供新的途径。