基于长读长全基因组测序解析SHR大鼠亚系物质使用表型差异的遗传基础

《Mammalian Genome》：Long-read whole-genome sequencing of SHR rat substrains with distinct substance use phenotypes

为解决SHR/NCrl与SHR/NHsd亚系在物质使用障碍(SUD)相关行为表型上存在显著差异但其遗传基础尚不明确的问题，研究人员利用PacBio高保真长读长测序技术，对这两个亚系进行了全基因组测序。研究不仅鉴定出与高血压表型相关的共享高影响变异，还发现了17,618个亚系特异性变异，并从中筛选出500个高质量SNP标记用于后续遗传作图。该研究为解析SUD相关行为的遗传组分提供了关键的基因组资源。

　　

自发性高血压大鼠(SHR)是研究高血压的经典动物模型，但近年来，它也被广泛用于神经精神疾病的研究，特别是注意缺陷多动障碍(ADHD)和物质使用障碍(SUD)。有趣的是，尽管拥有共同的起源，来自不同供应商的SHR亚系却表现出截然不同的行为表型。例如，SHR/NCrl亚系在冲动性、强迫样行为以及对可卡因等药物的自我给药方面，均表现出比SHR/NHsd亚系更强的易感性。这些行为差异暗示了亚系间存在微妙的遗传分化，但究竟是什么基因在背后“作祟”，一直是个未解之谜。

为了揭开这个谜团，研究人员决定对这两个行为迥异的SHR亚系进行一次“基因大普查”。他们利用PacBio高保真(HiFi)长读长测序技术，对SHR/NCrl和SHR/NHsd亚系进行了全基因组测序。这种技术能够产生更长的读长，从而更准确地检测出单核苷酸多态性(SNP)、插入缺失(Indel)和结构变异(SV)，为绘制高分辨率的基因组图谱提供了可能。

研究人员假设，这两个亚系共享的遗传变异可能决定了它们共同的高血压等表型，而亚系间独特的遗传变异则可能是导致它们在SUD相关行为上出现差异的关键。通过系统性地比较这两个亚系的基因组，他们希望能够找到这些“行为开关”基因，为后续的遗传定位研究提供宝贵的资源。

主要技术方法

本研究主要采用了PacBio Sequel IIe平台对SHR/NCrl和SHR/NHsd亚系进行高保真(HiFi)长读长全基因组测序。测序数据通过pbmm2软件比对至mRatBN7.2参考基因组。利用DeepVariant和pbsv软件分别进行单核苷酸多态性(SNP)、插入缺失(Indel)和结构变异(SV)的检测。通过SnpEff软件对变异进行功能注释，预测其影响程度(如高影响、中等影响)。利用gprofiler2软件包进行基因本体(GO)和通路富集分析，以揭示变异基因的潜在生物学功能。

研究结果

测序数据质量与变异检测

研究获得了高质量的测序数据，SHR/NCrl和SHR/NHsd的平均测序深度分别达到39.2x和41.9x。绝大多数染色体区域覆盖度良好，证实了测序数据的可靠性。通过比对参考基因组，研究人员在两个SHR亚系中鉴定出超过580万个共享变异，包括SNP、Indel和SV。这些变异中纯合子比例极高，证实了这两个亚系的高度近交特性。

亚系特异性变异

尽管遗传背景高度相似，研究人员还是成功鉴定出17,618个高置信度的亚系特异性变异，这些变异仅占基因组的0.008%。其中，SHR/NCrl亚系拥有5,059个独特的SNP、2,280个Indel和222个SV；而SHR/NHsd亚系则拥有6,993个独特的SNP、2,789个Indel和275个SV。这些变异在基因组中广泛分布，为后续的遗传定位研究提供了丰富的标记资源。

功能影响预测

研究人员利用SnpEff软件对所有变异进行了功能预测。在共享变异中，他们发现了1,591个高影响变异，这些变异可能共同决定了SHR亚系的高血压等核心表型。例如，在血压调节基因Ramp2中发现了一个移码突变，在Npy1r中发现了一个剪接受体变异。

更重要的是，在亚系特异性变异中，研究人员发现了一些与神经可塑性和突触功能相关的基因存在中等影响变异。SHR/NHsd亚系在Ptpro和Tenm2基因中携带独特的错义变异，这两个基因均与谷氨酸能突触和SUD相关通路有关。而SHR/NCrl亚系则在Wwc1和Pcdh10等基因中拥有独特变异，这些基因参与突触可塑性和神经传递。

研究结论与讨论

本研究通过高保真长读长测序，首次全面绘制了SHR/NCrl和SHR/NHsd亚系的高分辨率基因组图谱。研究不仅揭示了这两个亚系共享的遗传变异，为理解其高血压表型提供了分子基础，更重要的是，鉴定出了一系列亚系特异性变异。

这些亚系特异性变异，特别是那些影响突触可塑性相关基因(如SHR/NHsd的Ptpro和Tenm2，以及SHR/NCrl的Wwc1和Pcdh10)的变异，为解释这两个亚系在物质使用障碍相关行为上的显著差异提供了强有力的遗传学候选。这些基因在谷氨酸能突触功能中扮演着关键角色，而谷氨酸能系统是药物成瘾过程中神经适应性改变的核心。

此外，研究还筛选出了一套包含500个高质量SNP的标记集，这些标记均匀分布在基因组中，为未来利用简化复杂性杂交(RCC)等遗传学方法，精细定位与行为表型相关的数量性状位点(QTL)奠定了坚实的基础。

综上所述，这项研究不仅为SHR模型提供了宝贵的基因组资源，更重要的是，它将行为表型的差异与特定的遗传变异联系起来，为深入解析物质使用障碍的神经遗传机制开辟了新的道路。