Исследователи обнаружили специфическую для типа клеток связь между альтернативным сплайсингом и наследованием аутоиммунных заболеваний
Биологи-вычислители из Национального университета Сингапура (NUS) обнаружили, как сплайсинг РНК — важный процесс для экспрессии изоформ и разнообразия белков — регулируется в разных типах клеток периферической крови. Это важное открытие помогает объяснить, как генетические различия людей способствуют их предрасположенности к сложным заболеваниям, таким как системная красная волчанка (СКВ) и болезнь Грейвса (БГ).
Этот проект был реализован в рамках консорциума Азиатского атласа иммунного разнообразия (AIDA), который использует профилирование экспрессии генов в более чем одном миллионе иммунных клеток (PBMC) в масштабе популяции от более чем 600 азиатских доноров в пяти странах, чтобы понять, как гены и окружающая среда делают нас разными и влияют на наше здоровье.
Исследование было результатом исследовательского сотрудничества с Институтом генома Сингапура (GIS) A*STAR, Институтом генома Samsung, Центром интегративных медицинских наук RIKEN и Наньянским технологическим университетом. Это исследование было опубликовано в качестве заглавной статьи в журнале Nature Genetics 3 декабря 2024 года.
Альтернативный сплайсинг (AS) является фундаментальным регуляторным механизмом в обработке информационной РНК (мРНК), а аномальный сплайсинг является основной причиной генетических нарушений. Чтобы понять генетическую регуляцию сплайсинга, предыдущие усилия, такие как проект Genotype-Tissue Expression (GTEx), в первую очередь были сосредоточены на измерениях на уровне тканей, и эти усилия показали, что разные ткани имеют различные паттерны регуляции сплайсинга.
Однако это подняло интригующий вопрос: происходит ли связанная с заболеванием генетическая регуляция сплайсинга только в одном или нескольких типах клеток? Чтобы ответить на этот исследовательский вопрос, основным узким местом является отсутствие большого набора данных с разрешением по типу клеток в масштабе популяции, подходящего для анализа сплайсинга и соответствующих аналитических конвейеров.
Более того, азиатские популяции были заметно недопредставлены в крупномасштабных генетических исследованиях. Например, азиаты составляют всего 1,3% набора данных GTEx, в то время как лица европейского происхождения составляют 84,6%. Недавнее исследование показало, что происхождение может быть основным фактором, который влияет на результаты генетической регуляции, в основном из-за различий в частотах аллелей. Это подчеркивает настоятельную необходимость в генетических исследованиях , которые лучше представляют различные предки.
Для устранения этих пробелов в исследованиях исследовательская группа под руководством доцента Лю Босьяна и ведущих авторов Тянь Чи, Чжан Юньтяня и Тонга Иханя с кафедры фармации и фармацевтических наук факультета естественных наук Национального университета Сингапура использовала набор данных секвенирования РНК отдельных клеток AIDA для анализа сплайсинга, специфичного для определенного типа клеток.
Эта работа представляет собой первый комплексный анализ регуляции сплайсинга в популяционном масштабе и генетически связанном одноклеточном наборе данных. Доцент Лю занимает совместную должность с кафедрой биомедицинской информатики и трансляционной исследовательской программой точной медицины в Медицинской школе имени Йонг Лу Лина при Национальном университете Сингапура и является старшим научным сотрудником в GIS.
Набор данных секвенирования РНК отдельных клеток Asian Immune Diversity Atlas (AIDA)
AIDA Data Freeze v.1 включает до 21 подтипа иммунных клеток для контекстно-зависимого альтернативного сплайсинга и анализа локусов количественных признаков сплайсинга (sQTL). Образцы крови в этом наборе данных были собраны у когорты из 503 здоровых доноров разного азиатского происхождения, охватывающих популяции Восточной, Юго-Восточной и Южной Азии. Это разнообразие позволяет наблюдать генетическую регуляцию сплайсинга, специфичную для Азии. Например, было идентифицировано, что sQTL гена TCHP может влиять на риск болезни Грейвса в популяциях Восточной Азии.
Благодаря высокой средней глубине секвенирования и эффекту «окрашивания экзонов» (неполная обратная транскрипция вместе со стохастическим расщеплением и рекэпированием мРНК, что создает несколько 5'-концов), полученным при подготовке 5'-библиотеки, данные AIDA scRNA-seq сохранили значительную часть последовательностей мРНК, что делает их особенно подходящими для анализа сплайсинга.
Специфичность типа клеток в регуляции сплайсинга
Это исследование выявило широко распространенные контекстно-зависимые события сплайсинга, которые часто были специфичны для определенного типа клеток. В частности, изоформа мРНК SPSB2 с предковым смещением, вероятно, обусловленная различиями в частоте аллелей между популяциями в rs11064437, оказалась неаннотированной в канонической генной аннотации. Это подчеркнуло отсутствие предкового разнообразия в широко используемой базе данных аннотаций.
Не только сплайсинг специфичен для типа клеток, но и его генетическая регуляция также специфична для типа клеток. Терминологически sQTL — это генетический вариант, который влияет на сплайсинг транскрипта РНК. Это исследование выявило 11 577 независимых цис-sQTL и 607 транс-sQTL в 19 подтипах PBMC, и многие из них были специфичны для типа клеток и ассоциированы с заболеванием.
Влияние на заболевания и экспериментальное подтверждение
Эти результаты предоставили уникальный ресурс для идентификации генетических вариантов и молекулярных механизмов, лежащих в основе сложных признаков и заболеваний. Исследователи продемонстрировали, что заболевания могут быть связаны со сплайсингом, показав значительный вклад эффектов cis-sQTL в аутоиммунные и воспалительные заболевания.
Они также идентифицировали 563 предполагаемых гена риска. Например, было обнаружено, что специфичный для Азии sQTL нарушает 5'-сайт сплайсинга экзона четыре TCHP, предположительно модулируя риск болезни Грейвса в популяциях Восточной Азии. Эффект sQTL был подтвержден с помощью эксперимента с минигенами в клетках K562.
Доцент Лю сказал: «Наше исследование создало дорожную карту для анализа регуляции сплайсинга отдельных клеток в масштабе популяции и дало представление о разработке терапевтических средств, модифицирующих сплайсинг».
Эта карта sQTL, специфичная для типа клеток, является важной вехой в генетике человека и открытии мишеней для лекарств для сложных заболеваний, связанных со сплайсингом. Между тем, примеры, представленные в анализе, убедительно свидетельствуют о важности разнообразия предков в исследованиях генетики человека.
Чтобы продолжить исследования, команда планирует использовать технологию отдельных клеток для изучения большего количества тканей, таких как мышцы и жировая ткань. Текущие исследования обещают раскрыть более подробные молекулярные механизмы сложных заболеваний на уровне отдельных клеток.