Nature子刊：科学家绘制出揭示人类免疫细胞功能的基因网络图谱_风闻

近二十多年来，人类基因组学研究不断取得突破性进展，许多导致疾病的基因被一一揭示，并不断发现了新的治疗靶点。全基因组关联研究（GWAS）也已识别了数千种与疾病相关的遗传变异。

然而，确定所有突变基因的功能及其导致的健康结果一直是个巨大的挑战。早先的研究绘制了这些变异的顺式调控作用；但在许多情况下，这种方法并不能阐明疾病的病因。

科学家们认为，许多顺式调控基因可能并没有直接参与疾病相关过程，而是反式调控在发挥重要作用。因此，绘制跨调控连接图谱对于识别最显著的疾病基因至关重要。

2022年7月11日，发表在《Nature Genetics》上的一项新研究中，来自加州大学旧金山分校和斯坦福大学的研究团队开发了一种新方法，同时研究了免疫细胞内的数千个基因，并绘制了迄今为止描述基因功能复杂网络最完整的图谱，揭示出免疫细胞功能和免疫疾病的基本驱动因素。该研究对于更好地了解个体遗传变异与自身免疫性疾病风险之间的关系，以及识别有前途的新药物靶点至关重要。

众所周知，T细胞是获得性免疫系统的重要组成成分，它们的任务是抵感染和癌症。当被激活时，T细胞内数千种蛋白质的水平会发生变化，而且许多蛋白质是相互联系的。因此，一种蛋白质水平的变化会导致另一种蛋白质水平的变化。

过去的方法是使用CRISPR基因编辑工具敲除一组选定的基因，然后测量基因表达的变化，然后确定其在人类T细胞中的下游靶点。但这种所谓的“下游映射”方法只识别了转录网络中敲除基因下游的基因。因此，只揭示了部分真相。

相比之下，“上游映射”将使研究人员可以从感兴趣的基因开始，无偏地发现控制其表达的上游调节因子。上游映射可用于识别已知疾病基因的调节因子，并推断顺式调控上游基因与疾病相关的基因突变如何反式调控下游疾病基因。

现在，研究人员将这些蛋白质和基因之间的联系绘制成类似地铁地图的网络，从而可以帮助解释为什么两个不同免疫基因的突变可能导致相同的疾病，或者一种药物如何同时对许多免疫蛋白产生影响。

这种上游映射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。

在这项新研究中，研究人员使用CRISPR-Cas9基因编辑工具同时敲除人类原代T细胞库中的数千个基因。然后，他们专注于能生成转录因子的基因，并从中确定了三个关键免疫基因产物的上游调节因子，即：IL2RA（也称CD25）、IL-2和CTLA4。

随后，他们分别敲除上述三个调节因子，并使用ATAC-seq和RNA-seq测量染色质可及性和基因表达的下游变化，以确定网络结构、顺式调控元件（CRE）靶点和共同调节的疾病基因。

他们发现，这三个基因的关联程度令人感到惊讶：有117个调节因子至少调控三个基因中的一个基因的水平，39个调节因子调控两个，10个调节因子同时改变了所有三个基因的水平。

为了进一步完善免疫基因图谱，该团队接下来采用了传统的下游映射方法，他们从T细胞中移除24个精确调控的因子，以显示除了IL2RA、IL-2和CTLA4外的完整基因列表。

研究人员发现，许多调节因子相互控制。例如，转录因子IRF4改变了其他9种调节因子的活性，并且自身受另外其他15个调节因子调节；所有24个调节因子控制IL2RA的水平。在某些情况下，调节因子本身由IL2RA在反式调控中进行调节。

就像在密集的地铁网络中一样，每个枢纽都有几个“换乘车站”，可以与其他枢纽相连，而且连接是双向的。

研究人员表示，有些情况下，转录因子调节IL2RA，但IIL2RA本身也控制着同一转录因子。这类反向调控网络似乎比之前意识到的关联程度更高。

在所有受调节因子调控的完整基因列表中，研究人员发现了大量与免疫疾病相关的基因，包括多发性硬化症、狼疮和类风湿性关节炎。

他们表示，新的图谱有助于揭示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，最终对细胞产生了相同的影响。

总之，已鉴定的调节因子共同调节一个中心网络，该网络明显富集了与免疫疾病相关的基因，当受到干扰时，它会增加疾病风险。IL2RA、IL-2和CTLA4作为该网络的节点，是癌症和自身免疫性疾病药物开发的靶点，因此，这个基因网络将有助于识别那些有前途的新药物靶点。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-022-01106-y