不到 2% 的人类基因组由编码蛋白质的基因组成，其余 98% 是非编码基因并参与调节基因表达。科学家们发现基因组编码区的许多变化直接关闭基因并导致疾病，现在他们发现基因组非编码区的变化也会产生临床后果。
在一项新的研究中，麻省理工学院布罗德研究所和哈佛和马萨诸塞州总医院 (MGH) 的研究人员发现，在名为 MEF2C 的基因附近的非编码区中存在结构变异，该基因与神经发育障碍(NDDs ) 有关的转录因子)——可以模拟基因本身变化的影响。
他们的论文于 10 月 24 日发表在《人类遗传学杂志》上，首次描述了编码和非编码 MEF2C 变体在人类神经元细胞系中的长期影响，并表明该基因的间接和直接破坏都可以具有类似的下游效应。
“这是一个很好的概念模型，说明了不同的编辑、不同的调控机制和不同的突变类型如何真正影响同一个基因，并对人类健康和疾病产生一系列不同的后果，”该论文的资深作者 Michael Talkowski 说，布罗德医学和人口遗传学项目和斯坦利精神病学研究中心的研究所成员，以及基因组医学中心主任和MGH神经病学系的教员。
超越编码基因组
众所周知，改变 MEF2C 的结构变异会增加患 NDD 的几率，包括自闭症谱系障碍、发育迟缓、智力障碍、癫痫等。基因本身不能容忍变化——如果一个人只继承了一个基因的改变副本，他们的细胞就不能产生足够的 MEF2C 蛋白(一种称为单倍体不足的现象)，这增加了 NDD 的机会。
科学家们已经能够在小鼠模型中看到单倍体不足的影响，其中丢失一个 MEF2C 拷贝会改变大脑发育并降低神经元中的电化学活性。Talkowski 和他的团队，由哈佛博士领导。学生 Kiana Mohajeri 和神经病学讲师 Rachita Yadav 想要证明这些发现可以在人体细胞中复制。
该团队首先评估了源自 CRISPR/Cas9 编辑的诱导多能干细胞的神经元细胞系中 MEF2C 及其周围不同变化的影响，以模拟 6 种不同的结构变体。他们做出了一个意想不到的发现：在 MEF2C 附近的非编码 DNA 的近环边界发生特定改变但不直接在基因中的细胞仍然产生较低水平的 MEF2C 蛋白，并且难以传导电化学信号。非编码基因组的变化似乎完全反映了直接改变对基因的影响。
“我们在 MEF2C 周围的基因组重新排列的情况下发现了相当于单倍体不足的情况，”Talkowski 说。“这导致了一个假设，即三维组织被破坏，导致看起来像单倍体不足的东西。”
不可预测的结论
该团队开始系统地探索 MEF2C 周围非编码区的某些改变是否会产生与基因变化相似的下游效应。他们研究了包括 MEF2C 在内的拓扑关联域 (TAD) 内的变化。TAD 是包含基因和非编码基因调节 DNA 元素的大型基因组邻域，它们被认为相互相互作用，使 MEF2C 周围的区域成为科学家正在寻找的非编码遗传变化的可能热点。
他们发现携带 CRISPR 诱导的 MEF2C 变化的神经元细胞系显示出与神经发育途径相关的基因表达较低，并且在细胞之间传递电信号的能力降低。
研究非编码基因组的变化并不那么简单。该团队最初认为破坏 MEF2C 的 TAD 的一个边缘(称为远端环边界的区域)与直接改变 MEF2C 具有相同的效果。但这些干扰似乎并没有改变神经元的功能。
只有当他们破坏了 MEF2C 的 TAD 另一端的边界——即所谓的近端循环边界——时，该团队才能够模拟 MEF2C 突变的影响。携带这种干扰的神经元难以将信号传递给它们的邻居。
虽然这一发现证实了研究人员的怀疑，即 MEF2C 损失的不同机制可能在细胞水平上产生类似的影响，但它也提出了一系列关于非编码 DNA 的变化如何导致某些疾病的新问题。
“基因表达调控存在所有这些不同程度的复杂性，而且很难先验地预测，”该研究的共同第一作者亚达夫说。
该论文探讨了一些研究不足的基因被破坏的方式，但由于基因调控和表达之间的关系是多层次的，科学家们需要更深入地研究以更好地了解将非编码基因组的变化与细胞相关的机制和临床结果。
“这些复杂的神经发育基因的调控非常复杂，我们已经用我们的分析方法剖析了其中的一些部分，但我们甚至还没有接近捕捉到全貌，”Talkowski 说。