多組學聯合分析——疾病研究的必備策略

基於單一組學進行疾病研究已經發現了諸多新的致病因子，但生命科學的本質遠遠不止於此。疾病的發生髮展是一個複雜的網路，基因變異、表觀遺傳的改變、基因表達水平的異常等諸多因素都會影響著生命體特徵的改變。隨著測序技術和分析方法的不斷完善，多組學的方法逐漸走入科學研究人員的視線，它不僅對疾病機理研究、確定致病靶點起到推動作用，也為疾病基礎科學和精準醫學研究提供了新的思路。在此，小編就基因組學和轉錄組學聯合分析進行探討。

多組學研究進展

近年來，基因組學和轉錄組學聯合分析的方法已應用在出生缺陷[1]、髖關節骨關節炎[2]、網狀色素異常[4]等研究中。下表是幾篇代表文獻：

表1 基因組和轉錄組聯合分析代表文獻

多組學研究優勢

1. 深層次挖掘候選致病因子

整合基因組學和轉錄組學數據，分析疾病發生的多個連續事件，包括基因突變引起表達水平的變化，以及在轉錄調控、翻譯、翻譯後調控的各種形式的異構體和反饋調控情況。根據候選因子在不同層面的變化，鎖定致病靶點。

2. 構建基因調控網路

生物體中的基因、mRNA、調控因子、蛋白之間的相互作用構成了網狀關係，為了縷清各個分子之間的調控及因果關係，需要構建基因調控網路將其互相聯繫起來，從而更深入地認識遺傳病中複雜性狀的分子機理和遺傳基礎。

3. 提供疾病研究的新思路

隨著科學技術的發展，單一組學已經不能夠滿足科研需求，多組學作為推動科學研究熱點受到廣泛關注，疾病研究也呈現出多組學發展的趨勢。

多組學聯合分析

DNA層面篩選的候選基因在轉錄水平的展示，RNA層面顯著差異表達基因在基因組突變的情況分析，以及關鍵基因在通路的富集分析等聯合分析內容，將基因組和轉錄組緊密的聯繫起來。

圖1 基因組學&轉錄組學聯合分析

基因組學&轉錄組學聯合分析案例

基因組與轉錄組聯合分析揭示網狀色素異常的致病機理[4]

1. 研究背景

先天性免疫依賴於宿主對潛在抗原的特定分子模式的識別。病毒及其特定的複製模式會產生異常的核苷酸以激活先天免疫信號，引起I型干擾素產生。編碼參與這些信號機制的基因發生突變會導致人類免疫缺陷疾病。X連鎖的網狀色素異常（X-linked reticulate pigmentary disorder, XLPDR）是一種自發炎症的原發性免疫缺乏症疾病，本研究採用全基因組測序技術，探索XLPDR遺傳致病源。

2. 技術路線

3. 研究結果

1）基因組結果：WGS發現POLA1內含子突變

圖1 XLPDR家系圖譜

2）轉錄組結果：RNA測序發現POLA1缺陷激活I型干擾素反應機制

比較4個正常個體和2個患病個體細胞系轉錄組分析結果，發現患者個體細胞中許多編碼I型干擾素調節因子、信號通路和NF-κB的基因表達上調（圖2）。進一步對5個病人和14個正常個體血液樣本進行qRT-PCR分析，發現患者個體中干擾素調節因子和NF-κB依賴的基因10倍高表達於正常個體。表明：POLA1突變激活干擾素調節因子和NF-κB依賴基因，進而激活I型干擾素反應機制。

圖2 RNA-seq分析結果

3）細胞功能學驗證

通過免疫熒光、免疫印跡、qRT-PCR、siRNA等方法確定POLA1內含子突變影響了DNA聚合酶α，影響細胞溶質RNA：DNA表達量，減少其雜交，進而影響抗病毒基因表達和核酸感測器通道的調節，使得I型干擾素反應機制激活，引起XLPDR疾病表型。

4. 結論

通過多種測序策略，整合DNA和RNA分析結果，發現POLA1內含子突變影響了POLA1基因表達。POLA1缺陷影響了DNA聚合酶α，促進I型干擾素的產生。POLA1蛋白和I型干擾素共同影響RNA：DNA綜合體合成，引起XLPDR疾病表型。

參考文獻

[1] Homsy J, Zaidi S, Shen Y,et al.De novomutations in congenital heart disease with neurodevelopmental and other congenital anomalies[J].Science, 2015,350(6265): 1262.

[2] Styrkarsdottir U, Helqason H, Siqurdsson A,et al. Whole-genome sequencing identifies rare genotype inCOMPandCHADLassociated with high risk of hip osteoarthritis[J].Nat Genet, 2017, 49(5): 801-805.

[3] Shaw ND, Brand H, Kupchinsky ZA,et al.SMCHD1mutationsas sociated with a rare muscular dystrophy can also cause isolated arhinia and Bosma arhinia microphthalmia syndrome[J].Nat Genet,2017, 49(2): 238-248.

[4] Starokadomskyy P, Gemelli T, Rios J J,et al. DNA polymerase-α regulates the activation of type I interferons through cytosolic RNA: DNA synthesis.[J].Nature Immunology, 2016, 17(5): 495.

[5] Siqurdsson S, Alexandersson KF, Sulem P,et al. Sequence variants inARHGAP15,COLQandFAM155Aassociate with diverticular disease and diverticulitis[J].Nat Commun, 2017, 8: 15789.

[6] Dickel DE, Barozzi I, Zhu Y,et al. Genome-wide compendium and functional assessment of in vivo heart enhancers.Nat Commun.2016, 7: 12923.

[7] Shurjo K. Sen, Kimberly C. Boelte, Jennifer J. Barb,et al. Integrative DNA, RNA, and Protein Evidence ConnectsTREML4to Coronary Artery Calcification[J].American Journal of Human Genetics, 2014, 95(1): 66.

疾病業務線 王秋實丨文案

王 迪丨編輯

配圖來源於網路，侵刪

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