人类组织中内含子保留数量性状位点的起源与影响：基因表达调控的双向机制解析

《AJHG》：Origins and implications of intron retention quantitative trait loci in human tissues

本研究通过大规模irQTL分析揭示内含子保留与基因表达相互调控的新机制：研究人员在49个人类组织中发现8,624个irQTLs，证明其可通过NMD途径产生eQTLs，同时eQTLs也能通过改变转录本稳态比例反向生成irQTLs。该研究为理解复杂性状的遗传调控提供了新视角。

在真核生物基因表达调控的复杂网络中，选择性剪接作为增加转录本多样性的重要机制一直备受关注。其中，内含子保留（intron retention）作为一种特殊的剪接形式，其调控机制和功能意义长期以来存在争议。早期研究往往将内含子区域的RNA读段视为实验噪音或转录本成熟过程中的中间产物，但随着研究深入，科学家们发现内含子保留在发育、疾病和癌症等生物学过程中扮演着关键角色。

传统观点认为，内含子保留主要通过 nonsense-mediated decay（NMD）途径影响基因表达——当编码区内的内含子被保留时，可能引入提前终止密码子（PTC），导致转录本被降解；而当3' UTR区域的内含子被异常剪接时，同样可能触发NMD。然而，这种单向的因果关系是否完整揭示了内含子保留与基因表达之间的复杂关系？是否存在反向的调控机制？这些问题成为该领域亟待解决的重要科学问题。

为了深入探索这一领域，研究人员利用GTEx项目中的大规模多组织RNA测序数据，开展了系统的内含子保留数量性状位点（irQTL）分析。这项研究不仅揭示了遗传变异对内含子保留的广泛影响，更重要的是发现了内含子保留与基因表达之间存在的双向调控关系，为理解复杂性状的遗传基础提供了新的视角。

在技术方法层面，本研究主要依托GTEx v.8项目的838个个体、49种组织的RNA测序数据，使用SIRI软件量化内含子保留水平（PI值）。通过线性模型进行irQTL mapping，设置400kb的cis窗口和p<1×10^-5的显著性阈值。采用coloc软件进行irQTL与eQTL的共定位分析，并建立数学模型模拟RNA剪接动力学，同时利用TNF-α刺激和DICER1敲除等实验数据集验证理论预测。

irQTL分析识别人类组织中cis调控的内含子保留事件

研究人员在49种组织中共鉴定到8,624个独特的内含子保留事件与遗传多态性相关。组织特异性分析显示，irQTL数量与基因分型个体数呈正相关（r=0.62），其中甲状腺组织检测到最多irQTLs（1,494个），而杏仁核最少（179个）。通过XAB2基因案例研究，发现rs2335521 SNP与内含子8的保留水平显著相关，且该变异与血清抵抗素水平的GWAS信号存在高度连锁不平衡（LD），提示内含子保留可能影响复杂性状。

NMD介导irQTLs产生eQTLs

研究证实当内含子位于编码区（CDS）时，保留的转录本可能因引入PTC而触发NMD降解。通过共定位分析发现1,999个irQTLs与对应基因的eQTLs共定位（后验概率≥0.75）。XAB2基因中rs2335521变异同时影响内含子保留水平和基因表达，且效应方向相反，符合NMD模型预测。值得注意的是，3' UTR区域的内含子保留通过相反机制影响基因表达——剪接后的转录本反而成为NMD靶标，FYCO1基因案例验证了这一现象。

共定位irQTL-eQTL对常与NMD模型不一致

令人意外的是，在能够明确预测NMD效应的1,570对共定位irQTL-eQTL中，58.8%（923对）显示与NMD模型不符的效应方向。CDS内含子中，875对显示相同效应方向（与NMD模型矛盾），而仅637对显示相反方向。此外，同一基因内多个irQTLs倾向于具有相同效应方向（75%），显著高于外显子跳跃sQTLs的对照组（53%），提示存在共同调控因素。

数学建模统一eQTL和irQTL效应

研究人员扩展了RNA velocity模型，引入有限剪接体（E）和未剪接转录本降解参数。模型模拟显示，转录速率（α）增加会同时提高基因表达和内含子保留水平，而降解速率（γ）降低则导致基因表达上升但内含子保留下降。TNF-α刺激实验验证了转录激活导致内含子保留广泛增加，而DICER1敲除实验证实降解速率降低伴随内含子保留减少，完美吻合模型预测。

eQTLs可产生irQTLs

通过数学模型和实验验证，研究证实eQTLs可通过改变转录本稳态比例反向调控内含子保留。当eQTL由转录速率变化驱动时，irQTL与eQTL效应方向相同；而当eQTL由降解速率变化驱动时，两者效应方向相反。ENCODE数据进一步显示irQTL SNPs在启动子和增强子区域显著富集，支持eQTLs产生irQTLs的调控机制。

这项发表于《The American Journal of Human Genetics》的研究最终揭示了一个核心生物学规律：内含子保留与基因表达水平通过双向调控机制紧密交织，共同影响表型性状。一方面，irQTLs可通过NMD途径产生eQTLs；另一方面，eQTLs可通过改变转录本代谢通量产生irQTLs。这种双向因果关系不仅解释了先前研究中观察到的矛盾现象，还为理解各种生物学条件下广泛存在的内含子保留提供了新框架。该研究建立的数学模型成功统一了不同调控场景下的实验观察，为未来研究基因表达与RNA加工之间的复杂相互作用提供了重要工具。