28種免疫細(xì)胞和10種免疫疾病的eQTL調(diào)控圖譜

撰文 | 蘇木七

責(zé)編 | 兮

免疫系統(tǒng)出了問題，會(huì)導(dǎo)致很多疾病，比如大家常聽說的系統(tǒng)性紅斑狼瘡和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎，這些也被稱為免疫介導(dǎo)性疾病（Immune-mediated diseases,?IMD）。

這些疾病是如何發(fā)生的呢？GWAS等遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了許多與免疫介導(dǎo)性疾病有關(guān)的基因變異位點(diǎn)，其中大部分都位于非編碼區(qū)，比如增強(qiáng)子 (enhancers) 和啟動(dòng)子 (promoters)，不過對(duì)于它們的具體功能和調(diào)控機(jī)制，我們所知的，仍是九牛一毛。

為了弄清楚這些基因變異位點(diǎn)的功能，2021年4月29日，來自日本東京大學(xué)的Keishi Fujio和Mineto Ota團(tuán)隊(duì)在Cell上發(fā)表了文章?Dynamic landscape of immune cell-specific gene regulation in immune-mediated diseases?，通過全基因組測(cè)序、RNA-Seq和表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)(expression quantitative trait loci, eQTL)分析，產(chǎn)生了10種免疫介導(dǎo)性疾病的28種免疫細(xì)胞的基因表達(dá)和基因變異數(shù)據(jù)，解釋了基因變異在不同疾病和不同免疫細(xì)胞里對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控圖譜。

在此之前，也有一些組織或者細(xì)胞特異性的eQTL數(shù)據(jù)庫(kù)，比如GTEx、BLUEPEINT和DICE，但是它們的樣本量通常有限，并且也沒有包括大多數(shù)的免疫細(xì)胞，比如和自身免疫密切相關(guān)的樹突狀細(xì)胞和漿母細(xì)胞，就沒有被包括在內(nèi)。

東京大學(xué)這次的研究則囊括了我們已知的幾乎所有免疫細(xì)胞，共28種。數(shù)據(jù)來自416個(gè)捐贈(zèng)者的9,852個(gè)樣本，其中79名是健康人，其他337名是各種免疫介導(dǎo)性疾病的患者，包括系統(tǒng)性紅斑狼瘡（SLE）、特發(fā)性炎癥性肌病（IIM）、系統(tǒng)性硬化癥（SSc）、混合性結(jié)締組織病（MCTD）、干燥癥（SjS）、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）、白塞氏病（BD）、成人斯蒂爾病（AOSD）、ANCA相關(guān)的血管炎（AAV）和多發(fā)性大動(dòng)脈炎（TAK）。

有如此豐富的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，第一步自然是看一看不同疾病和不同免疫細(xì)胞的基因表達(dá)譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，免疫介導(dǎo)性疾病大致可分兩類，自身免疫性疾病和自體炎癥疾病。自身免疫性疾病中上調(diào)的基因模塊與干擾素誘導(dǎo)的基因通路有明顯重疊；自體炎癥疾病中上調(diào)的基因模塊與白細(xì)胞介素IL-18或IL-1b誘導(dǎo)的基因有明顯重疊。這些數(shù)據(jù)對(duì)于未來各種免疫介導(dǎo)性疾病和免疫細(xì)胞的研究，提供了豐富有用的資源。

該研究的重點(diǎn)是eQTL分析。在每個(gè)細(xì)胞類型中，研究者在常染色體表達(dá)的基因（eGenes）和位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)1Mb內(nèi)的基因變異（eVariants）之間進(jìn)行了前向后退的逐步線性回歸來鑒定eQTL，最終確定了13,395個(gè)蛋白質(zhì)基因和3,839個(gè)長(zhǎng)非編碼RNA (lncRNA) 的eQTLs。每種免疫細(xì)胞里，都有數(shù)千個(gè)eGenes。

不論是哪種免疫細(xì)胞，何種免疫疾病，除去罕見的體細(xì)胞變異，DNA都是一樣的，有著同樣的遺傳基因變異。至于基因表達(dá)，大多數(shù)維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)的基因，例如管家基因，在不同細(xì)胞和疾病下表達(dá)情況也類似，和這些基因有關(guān)的eQTLs，即使在不同的免疫細(xì)胞和疾病下，也是一樣的。該研究也發(fā)現(xiàn)，健康和疾病狀態(tài)下，絕大多數(shù) (94%) 的eQTLs都是一樣的。

只有一部分基因的表達(dá)，要么是細(xì)胞特異性的，要么是疾病特異性的，這種情況下eQTLs才展示出特異性。研究者發(fā)現(xiàn)，比起健康人里發(fā)現(xiàn)的eQTLs，免疫介導(dǎo)性疾病特異的eQTLs有如下特征：

1. 在髓系細(xì)胞里比較多，比如漿細(xì)胞樣樹突狀細(xì)胞(pDC)和中性粒細(xì)胞

2. 在增強(qiáng)子和ATAC-seq的峰值信號(hào)處更加富集

3. 在免疫介導(dǎo)性疾病相關(guān)的GWAS基因變異信號(hào)處更加富集

這些eQTLs對(duì)整個(gè)基因組的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)有什么影響呢？接下來，研究者分析了和eQTLs相關(guān)的其他基因的表達(dá) (context-dependent eQTLs)，找出和eGenes相互作用的pGenes，這些pGenes和eGenes之間的關(guān)聯(lián)受到不同的eVariants影響，比如：

1. 漿母細(xì)胞里，干擾素相關(guān)基因 (STAT1, P1) 和SLFN5 eQTL相互作用

2. 初始B細(xì)胞里，F(xiàn)CRL3相關(guān)的基因 (P7) 和SCD5 eQTL相互作用

3. Th1細(xì)胞里，細(xì)胞增殖相關(guān)的基因 (CDCA7, P8) 和ENTPD1eQTL相互作用

4. EM CD8細(xì)胞里，和老年化有關(guān)的基因SATB1(P4) 和CCNG2eQTL相互作用

研究者們還探索了疾病特異性的eQTL和GWAS的關(guān)系，驗(yàn)證了各種免疫疾病是哪種免疫細(xì)胞介導(dǎo)的，比如：

1. Fr. II調(diào)節(jié)性T細(xì)胞-類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和一型糖尿病

2. B細(xì)胞-系統(tǒng)性紅斑狼瘡

3. 初始B細(xì)胞-系統(tǒng)性硬化癥和一型糖尿病

4. CD8+ T細(xì)胞和乳糜瀉

5. NK細(xì)胞和膽汁性肝硬化

最后，研究者以系統(tǒng)性紅斑狼瘡為例，闡釋了eQTL和GWAS的共定位分析可以幫助優(yōu)化排序疾病的風(fēng)險(xiǎn)基因。比如，系統(tǒng)性紅斑狼瘡風(fēng)險(xiǎn)基因之一ARHGAP31，其eQTL效應(yīng)僅在漿母細(xì)胞中有；另外一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)基因是LBH，其rs7599760 eQTL在不同的免疫細(xì)胞里效應(yīng)相反，在骨髓細(xì)胞中基因表達(dá)下調(diào)，而在漿母細(xì)胞中則是上調(diào)。LBH與細(xì)胞增殖和DNA修復(fù)有關(guān)，它在漿母細(xì)胞中的高表達(dá)可能有助于其擴(kuò)張，而在其他細(xì)胞類型里下調(diào)則可能導(dǎo)致DNA損傷。編碼CD45的PTPRC，其eQTL在不同的免疫細(xì)胞中也表現(xiàn)出了截然不同的效應(yīng)。

總之，該研究刻畫了不同免疫細(xì)胞和免疫疾病的獨(dú)特的基因表達(dá)譜，揭示了eQTL在不同情況下的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)疾病和免疫相關(guān)的遺傳變異和基因表達(dá)研究提供了豐富的靈感和資源。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.056