Nature Genetics开启一个新的理解层面：对健康至关重要的免疫基因“开关”

在一项新的研究中，格莱斯顿研究所的科学家们使用一种被称为CRISPR干扰(CRISPRi)的工具，绘制了控制三种基本免疫基因表达的分层机制。该研究结果发表在《自然遗传学》杂志上，为免疫平衡、自身免疫性疾病和癌症免疫疗法的发展提供了有价值的见解。

　　

健康的T细胞是平衡免疫系统的基础。它们可以迅速行动起来抵抗感染或癌症，但又不会变得过于活跃，以至于伤害它们本应保护的细胞，就像自身免疫性疾病一样。

在幕后，有三个基因在精心策划这种平衡行为。众所周知，这些基因（CD28、CTLA4 和 ICOS）在塑造 T 细胞的功能和维持其平衡方面发挥着关键作用。它们都集中在同一段 DNA 上，为蛋白质编码，这些蛋白质的微调协调对免疫健康至关重要。

虽然科学家们早就认识到这些邻近基因的重要功能，但对于它们是如何在抑制免疫系统的特殊T细胞中开启和关闭的，人们知之甚少。当T细胞处于静止状态和受刺激状态时，开关是如何起作用的，这方面的知识也很缺乏。

在一项新的研究中，格莱斯顿研究所的科学家们使用了一种被称为CRISPR干扰(CRISPRi)的工具，绘制了控制这些基本免疫基因表达的分层机制。该研究结果发表在《自然遗传学》杂志上，为免疫平衡、自身免疫性疾病和癌症免疫疗法的发展提供了有价值的见解。

“直到最近，我们缺乏工具来系统地确定在基因组的一个位点上作为邻居分组的基因协调调节的机制联系，现在，我们可以开始破译与疾病风险相关的多基因位点的复杂逻辑，我们可以直接在那些在这些疾病中起核心作用的人类细胞中做到这一点。”Gladstone高级研究员Alex Marson说。

这些知识对于理解免疫驱动疾病的基础至关重要。例如，一个人患某些自身免疫性疾病的风险可能与同一DNA“邻居”中的遗传变异有关，这些变异会影响控制三种免疫基因的开关。这将有助于设计新的癌症免疫疗法，指导人体的T细胞对抗癌细胞，Marson说。

开启一个新的理解层面

对于Marson实验室和加州大学旧金山分校的Cody Mowery来说，专注于含有CD28、CTLA4和ICOS的DNA片段是显而易见的。已知该基因座的变异与狼疮和炎症性肠病等自身免疫性疾病有关，一些针对这些基因的治疗方法已经存在，改善和延长了患有自身免疫性疾病和癌症的人的生命。

“我不认为夸大这些基因的重要性是可能的，考虑到它们在基因组中只是一个接一个地躺在一起，我们当然希望进入并了解我们所能了解的一切。”

基因表达的基本控制已经确立。其中一些关键角色是CRE，即“顺式监管元素”的缩写。cre是位于其调控基因附近的非编码DNA片段。cre还与其他被称为反式调控因子的调控元件相互作用，以促进或抑制DNA转录，这是基因到蛋白质生产线的第一步。

科学家们想要发现cre的位置，并测试特定cre在调节这三种基因中的作用，从而深入了解疾病风险的潜在原因。

“给定一种特定的细胞类型及其当前的激活状态，我们想知道在相同的情况下，是什么导致一个基因被表达而另一个基因被抑制，当你在同一位点高度协调地调节基因时，回答这个问题变得非常复杂。”

研究小组使用CRISPRi破坏了11500多个靶点——每个靶点都在不同的人类T细胞中——跨越了包含CD28、CTLA4和ICOS的整个DNA链。他们在人类献血者的两种不同类型的T细胞中进行了实验，然后检查了对基因表达的影响。

“在我们小组最近开发出大规模应用CRISPRi的方法之前，这是不可能的，”加州大学旧金山分校的医学副教授Jimmie Ye博士说。

在Gladstone高级研究员Katie Pollard博士的计算生物学实验室的帮助下，该团队的分析确定并绘制了特定cre在不同细胞激活状态下对三种基因表达的影响。

他们发现，在某些情况下，特定基因的表达由不同的cre控制，这取决于细胞类型或激活状态。一些CRE在基因之间共享，但对每个基因的影响不同，影响基因表达的CRE可能位于远离基因本身的地方。

“在这个过程中，我们能够验证特定cre的功能影响，这些cre以前只与基因表达间接相关，”Jimmie Ye说。

多层次的复杂性

接下来，研究人员将先前编译的数据集和额外的分子和计算工具结合起来，以识别这三种基因的反式调节因子，并将它们与它们所影响的特定cre联系起来。该分析还揭示了基因和遗传区域中位点之间的调控串扰的潜在机制，这些机制似乎塑造了DNA的3D结构，以确保开关将其活动集中在正确的基因目标上。

“我们现在对这个位点的基因调控有了更动态的了解，这种新的认识水平最终可能会导致更好的自身免疫性疾病和癌症治疗方法。”

该团队已经证明了一个潜在的例子:在已确定的cre中，他们发现了两种基因变异，它们似乎强烈影响CTLA4的表达，并与类风湿性关节炎有关。进一步的研究可以揭示其潜在的临床意义。

研究人员还对他们的研究对基因工程治疗疾病的影响感兴趣。

Ye说:“现在很多人都在关注利用基因工程在细胞内创造新的蛋白质。但我认为，未来，我们将把所有的调控逻辑放在非蛋白质编码序列中，使我们能够更好地进行控制。”