Cell：新工具发现基因调控的新维度

　　

我们基因中的变化会影响各种健康风险，从心脏病到癌症。此外，几乎所有基因都以两份拷贝的形式存在（来自父母双方），而这两份拷贝的开启与关闭并不一定同步。当这种差异性基因调控出现异常时，可能会引发严重的健康问题。

不过到目前为止，要检测拷贝特异性的基因调控差异，并了解其中哪些差异至关重要，一直都十分困难。

近日，西雅图华盛顿大学医学院等机构的研究人员开发出一种工具，将机器学习与先进的DNA测序技术相结合，以厘清母源和父源染色体之间的差异性基因调控，并找出对基因功能至关重要的区域。

这种名为FIRE的新工具有望帮助研究人员精准定位遗传性疾病背后的DNA变化，并深入了解此前未知的基因组区域。这项研究成果于10月15日发表在《Cell》杂志上。

第一作者兼通讯作者、华盛顿大学医学院的Mitchell R. Vollger博士表示：“在我们的基因组中，只有约1%至2%的序列编码蛋白质。这项技术让我们能够更清晰地观察其余98%的区域，包括那些控制基因开启与关闭的‘开关’。”

研究团队还发现，基因调控中的变化并不总是由遗传因素触发的。同一片段的两份相同拷贝可能受到不同的调控，而这些差异会在细胞分裂时被传递下去。尽管这些新发现的变化大多功能未知，但它们揭示了生物变异性中一个不受遗传因素决定的新维度。

FIRE工具基于现有的Fiber-seq技术，该技术能够标记开放染色质，随后利用PacBio测序技术读取单个DNA分子上的长片段。由于每个片段都非常长，研究人员通常可根据序列中的细微差异判断其源自母亲还是父亲的拷贝。

这一新工具引入了基于机器学习的分析方法，能够检查每一个被标记的区域，并评估哪些区域可能对基因调控真正重要。尽管人们可以手动对单个位点进行评估，但该工具将分析规模扩大，能够检查全基因组中数十亿个被标记的区域。

此前研究曾发现一个与乳糜泻风险相关的遗传差异，但无人知晓该差异究竟是影响了基因的功能，还是仅仅是一个“旁观者”，这对药物开发而言是一个重要的区别。

研究人员发现，与乳糜泻相关的遗传差异位于一个基因“开关”上，该开关紧邻着另一个同样与乳糜泻相关的免疫基因。这种DNA变异破坏了基因调控蛋白的结合位点，仅改变DNA序列中的一个碱基，就足以改变该开关的开启程度。

借助FIRE技术，研究团队还鉴定出数万个此前被忽视的DNA区域，这些区域很可能对基因调控至关重要。与基因组的其他部分相比，这些区域更可能包含与人类疾病相关的DNA变异，这表明它们在健康方面具有尚未被发现的重要功能。

此外，FIRE技术还让研究人员能够以前所未有的规模，寻找母系遗传和父系遗传染色体之间调控方式不同的DNA片段。他们的发现出人意料。

在大多数情况下，同一DNA区域的两份拷贝在基因调控上的差异可归因于DNA序列本身的差异。但在相当一部分情况下，两份调控方式不同的拷贝却在遗传上完全相同。

研究结果表明，细胞的调控景观中遍布着常染色体的染色质表观突变，这些突变通过克隆扩增传播，从而产生有丝分裂稳定且不由遗传决定的染色质改变。

“我认为这项研究最令人惊讶的结果，是发现了遗传因素在决定基因调控方面所存在的局限性，”Vollger谈道。“在大约40%的情况下，尽管我们观察到从母亲和父亲那里继承的DNA拷贝之间存在调控差异，但它们在该位点上却完全相同。”

Vollger希望，通过将遗传密码的变化与基因调控的功能差异关联起来，FIRE将有助于找出哪些遗传差异导致了人类疾病。对开发DNA编辑疗法来治疗甚至治愈遗传性疾病来说，这是关键的第一步。

“这或许能向我们展示，如何编辑控制人体基因的DNA开关，从而帮助降低常见疾病的风险，甚至治愈罕见疾病，” Vollger说。