《Science》CRISPR精确定位性状和疾病的因果遗传变异

人类遗传学的一个主要挑战是了解基因组的哪些部分驱动特定特征或导致疾病风险。对于在98%的基因组中发现的不编码蛋白质的遗传变异，这一挑战甚至更大。纽约大学和纽约基因组中心的研究人员开发的一种新方法结合了遗传关联研究、基因编辑和单细胞测序，以解决这些挑战，并发现血细胞特征的因果变异和遗传机制。

　　

近二十年来，全基因组关联研究(GWAS)已成为研究人类基因组的重要工具。利用GWAS，科学家们已经确定了数千种与许多疾病相关的基因突变或变异，从精神分裂症到糖尿病，以及身高等特征。这些研究是通过比较大量人群的基因组来发现在具有特定疾病或特征的人群中更常发生的变异。

GWAS可以揭示基因组的哪些区域和潜在的变异与疾病或性状有关。然而，这些关联几乎总是在98%的不编码蛋白质的基因组中发现，这比被充分研究的2%的编码蛋白质的基因组要少得多。更复杂的是，许多变异在基因组中彼此非常接近，并在几代人中一起传播，这是一个被称为连锁的概念。这就使得我们很难区分哪个变体是真正的因果关系，而其他变体只是位于附近。即使科学家能够确定是哪种变异导致了某种疾病或特征，他们也并不总是知道这种变异影响了什么基因。

为了解决这个人类遗传学的主要挑战，纽约大学和纽约基因组中心的研究人员开发的一种新方法结合了遗传关联研究、基因编辑和单细胞测序，以解决这些挑战，并发现血细胞特征的因果变异和遗传机制。

他们的方法被称为STING-seq，发表在《Science》杂志上，解决了直接将遗传变异与人类特征和健康联系起来的挑战，并可以帮助科学家确定具有遗传基础的疾病的药物靶点。

纽约大学生物学副教授、纽约大学格罗斯曼医学院神经科学和生理学副教授、纽约基因组中心核心教员、该研究的共同通讯作者Neville Sanjana说:“人类疾病研究的一个主要目标是确定致病基因和变异，这可以阐明这些疾病的生物学机制，并为药物靶点提供信息。”

这项研究的通讯作者之一、纽约基因组中心的高级副教员、瑞典皇家理工学院的基因组学教授Tuuli Lappalainen说：“GWAS的巨大成功凸显了从这些海量数据集中提取疾病生物学见解的挑战。尽管我们在过去的10年里做出了所有的努力，但这个杯子充其量也只是半满的。我们需要一种新的方法。”

治疗镰状细胞性贫血

镰状细胞性贫血是一种以剧烈疼痛为特征的遗传性疾病，最近在治疗镰状细胞性贫血方面取得了一项科学突破，它说明了将GWAS与基因编辑等尖端分子工具结合起来如何识别因果变异并带来创新疗法。利用GWAS，科学家们确定了基因组中对产生胎儿血红蛋白很重要的区域，这是一个基于它有望逆转镰状细胞性贫血的目标，但他们不知道究竟是哪个变异驱动了它的产生。

研究人员转向CRISPR——一种使用“分子剪刀切割DNA”的基因编辑工具——来编辑GWAS识别的区域。当CRISPR在非编码基因组中靠近BCL11A基因的特定位置进行编辑时，会导致胎儿血红蛋白水平升高。

CRISPR目前已被用于临床试验，在数十名镰状细胞性贫血患者的骨髓细胞中编辑这一区域。在将修饰过的细胞注入患者体内后，它们开始产生胎儿血红蛋白，取代突变的成人血红蛋白，有效地治愈了他们的镰状细胞病。

Sanjana说:“这个治疗镰状细胞病的成功故事是将GWAS的见解与基因编辑相结合的结果。但只对一种疾病进行了数年的研究。我们如何扩大规模，以更好地识别GWAS的因果变异和靶基因?”

GWAS满足CRISPR和单细胞测序

研究小组创建了一个工作流程，称为STING-seq系统靶向和抑制非编码GWAS位点的单细胞测序。STING-seq的工作原理是采用生物库规模的GWAS，并使用生化标志和调控元件的组合寻找可能的因果变异。然后，研究人员使用CRISPR靶向GWAS涉及的基因组的每个区域，并进行单细胞测序以评估基因和蛋白质的表达。

在他们的研究中，研究人员说明了使用STING-seq来发现血液特征的非编码变异的靶基因。血液特征，如血小板、白细胞和红细胞的百分比，在常规血液检查中很容易测量，并且在GWAS中得到了很好的研究。因此，研究人员能够使用代表来自不同背景的近75万人的GWAS来研究血液特征。

一旦研究人员确定了基因组中可能在血液特征中起作用的543个候选区域，他们就使用了一种称为CRISPRi的CRISPR技术，可以使基因组的精确区域沉默。

在CRISPR使GWAS识别的区域沉默之后，研究人员观察了单个细胞中附近基因的表达，看看特定基因是开启还是关闭的。如果他们发现变异在细胞和未被沉默的细胞之间的基因表达存在差异，他们就可以将特定的非编码区域与目标基因联系起来。通过这样做，研究人员可以确定哪些非编码区域是特定特征的核心(哪些不是)，并且通常还可以确定这些非编码区域工作的细胞途径。

“STING-seq的强大之处在于，我们可以将这种方法应用于任何疾病或特征，”纽约基因组中心和纽约大学的博士后、该研究的第一作者Morris说。

使用STING-seq来测试可能的变异簇，并查看它们对基因的影响，消除了科学家以前在面对变异或最接近变异的基因之间的联系时遇到的猜测，这些变异通常是但不总是目标基因。在被称为单核细胞计数的血液特征中，应用CRISPR导致一个基因CD52明显地表现出显著的改变——虽然CD52接近感兴趣的变异，但它不是最接近的基因，所以可能在以前的方法中被忽略了。

在另一项分析中，研究人员发现了一种名为PTPRC的基因，它与10种血液特征有关，包括与红细胞、白细胞和血小板有关的特征。然而，有几个GWAS识别的非编码变异体非常接近，很难理解哪一个(如果有的话)可以调节PTPRC的表达。应用STING-seq使他们能够通过观察哪些变体改变了PTPRC表达来分离出哪些变体是因果关系。

STING-seq及其他

虽然STING-seq可以通过沉默变异来识别目标基因和因果变异，但它并不能解释作用的方向——特定的非编码变异是否会增加或减少附近基因的表达。研究人员将他们的方法更进一步，创造了一种互补的方法，他们称之为beeSTING-seq(碱基编辑STING-seq)，该方法使用CRISPR精确插入遗传变异，而不仅仅是抑制基因组的该区域。

研究人员设想，STING-seq和beeSTING-seq可以用于识别各种疾病的因果变异，这些疾病要么可以用基因编辑治疗——就像镰状细胞性贫血一样——要么可以用靶向特定基因或细胞途径的药物治疗。

Lappalainen说:“现在我们可以将非编码变异与目标基因联系起来，这为我们提供了证据，证明可以开发小分子或抗体疗法来改变特定基因的表达。”

Discovery of target genes and pathways at GWAS loci by pooled single-cell CRISPR screens