《Nature Genetics》迄今为止最详细的基因复杂网络——“免疫网”

格莱斯顿研究所、加州大学旧金山分校(UCSF)和斯坦福大学医学院的研究人员利用新技术同时研究免疫细胞内的数千个基因，绘制了迄今为止最详细的基因复杂网络如何共同作用的地图。

　　

   

   

Alex Marson (中)和他的同事创造了迄今为止最详细的基因复杂网络如何共同作用的地图。    

加州大学旧金山分校格莱斯顿研究所（Gladstone）和斯坦福医学院的研究人员利用新技术同时研究免疫细胞中的数千个基因，绘制出了迄今为止最详细的基因复杂网络如何共同作用的图谱。这些基因如何相互关联的新见解，阐明了免疫细胞功能和免疫疾病的基本驱动因素。

“这些结果帮助我们充实了一个系统的网络地图，可以作为人类免疫细胞如何运作的指导手册，以及我们如何设计它们为我们服务，”Alex Marson博士说，他是Gladstone-UCSF基因组免疫学研究所的主任，也是发表在《Nature Genetics》上的新研究的高级合著者。

这项研究是与斯坦福大学医学院遗传学和生物学教授Jonathan Pritchard博士合作进行的，对于更好地理解一个人的基因变异与自身免疫性疾病风险之间的联系也至关重要。

来自CRISPR的免疫洞察  

研究人员知道，当免疫系统的T细胞(一种可以对抗感染和癌症的白细胞)被激活时，细胞内数千种蛋白质的水平会发生变化。他们还知道，许多蛋白质是相互关联的，一个蛋白质水平的变化会导致另一个蛋白质水平的变化。

科学家们把这些蛋白质和基因之间的联系描绘成网络，看起来有点像地铁地图。绘制这些网络图谱很重要，因为它们可以帮助解释为什么两种不同免疫基因的突变可能导致同一种疾病，或者一种药物如何同时对许多免疫蛋白产生影响。

在过去，科学家们通过每次移除每个蛋白质的基因，并研究对其他基因和蛋白质的影响，以及对免疫细胞整体功能的影响，绘制出了这些网络的一部分。但这种“下游”的方法只揭示了问题的一半。

“我们真的想看看是什么控制了关键的免疫基因，”Pritchard实验室的博士后雅各布·弗雷默(Jacob Freimer)博士说，他也是这篇新论文的第一作者。“这种上游方法以前在初级人类细胞中没有做过。”

这种上游的方法就像规划地铁线路一样，首先确定主要枢纽，然后确定到这些关键站点的路线，而不是费力地从不同的卫星站重建整个网络。

Freimer和他的合作者转向了CRISPR-Cas9基因编辑系统，该系统允许他们同时破坏数千个基因。他们集中研究了制造一种被称为转录因子的蛋白质的基因。转录因子是开启或关闭其他基因的开关，可以同时控制许多基因。然后，科学家们研究了破坏这些转录因子对三种已知在T细胞功能中起重要作用的免疫基因的影响:IL2RA、IL-2和CTLA4。这三个基因是锚定上游图谱工作的枢纽。

Freimer说:“这让我们分析了1000多个转录因子，看看哪些转录因子对这些免疫基因有影响。”

一个相互联系的网络  

研究人员怀疑他们会发现调节IL2RA、IL-2和CTLA的基因之间的联系，但他们对他们发现的连接程度感到惊讶。在117个调控因子中，发现至少控制了三个基因中的一个，39个调控因子控制了三个基因中的两个，10个调控因子同时改变了三个基因的水平。

为了进一步填充免疫基因图谱，研究小组下一步采取了一种更传统的下游方法，从T细胞中移除24个精确的调控因子，以显示它们调控的基因的完整列表——除了IL2RA、IL-2和CTLA4。

研究人员表明，许多调节因子相互控制。例如，转录因子IRF4改变了其他9个调控因子的活性，其本身也受到其他15个调控因子的调控;所有24种IL2RA水平均得到控制。在其他情况下，监管者本身也受到IL2RA的监管，即所谓的“反馈循环”。

就像密集的地铁网络一样，每个枢纽都与许多其他枢纽相连，而且这种联系是双向的。

Freimer说:“在某些情况下，一个转录因子调节IL2RA，但随后IIL2RA本身也控制同样的转录因子。这类反馈回路和监管网络之间的联系似乎比我们之前意识到的要紧密得多。”

回到病人  

在监管机构所研究的全部基因列表中，研究团队发现了大量与免疫疾病相关的基因，包括多发性硬化症、红斑狼疮和类风湿性关节炎。

新地图帮助揭示了与这些疾病相关的基因变化如何出现在不同的基因中，但由于基因之间的调节联系，最终对细胞产生相同的净效应。它还指出了一些关键的基因群，这些基因可能成为治疗免疫疾病的药物的目标。这项研究表明，有一个由重要基因组成的中心网络，当这个网络受到干扰时，就会增加一个人患病的风险。

Marson说:“当我们了解这些网络和通路的连接方式时，它就开始帮助我们了解需要正常工作以预防免疫系统疾病的关键基因集合。”

Systematic discovery and perturbation of regulatory genes in human T cells reveals the architecture of immune networks