真正找到基因突变与疾病的关联，Nature发表单细胞研究重要进展！

来源：生物通

科学家发现将基因突变与致病过程联系起来的方法

尽管遗传学和基因组学的研究进展揭示了许多与疾病相关的基因突变，但是医师和研究人员仍然无法将这些突变与实际的致病过程联系起来。

近期，辛辛那提儿童医院医学中心的研究人员报道称，他们开发了一种新的分子工作流程，能利用单细胞方法分析与特定患者基因突变相关的分子途径。在这项研究中，研究人员首先解析了导致儿童重型先天性中性粒细胞减少症（SCN）的血液基因突变，他们发现该突变会阻止血细胞发育，导致嗜中性粒细胞的形成。

这一发现公布在4月23日Nature杂志上。

这项研究为研究人员和临床医师研究各种疾病的单细胞基因组学创造了一个新的平台，将有助于临床中基于基因的诊断更加精确和有效。

文章作者H. Leighton Grimes博士说：“除了一些已经众所周知的致病突变，要想确定重要和不重要的DNA变化之间的差异是一个繁重又困难的工作。” “我们在这篇文章中对儿童的基因组进行测序，并将DNA序列差异与疾病联系起来。但是确定这些DNA突变中的哪一个是真正的致病突变是困难的，不过这是理解疾病分子机制，并研究治疗方法的重要途径。”

追踪遗传损伤

研究人员分析了Growth Factor Independent-1（GFI1）的基因突变。患有SCN的儿童的免疫系统中只有未成熟的血细胞，包括未成熟的中性粒细胞，这使他们处于感染和疾病的高风险中。

研究人员用小鼠和人类中性粒细胞建立了SCN的遗传模型，证实了GFI1突变的致病作用，而且也确定了突变GFI1在细胞发育周期的每个阶段如何影响中性粒细胞。这些新数据使他们能够成功治疗和部分挽救SCN模型中的中性粒细胞。

尽管遗传操作能挽救GFI1突变对中性粒细胞的影响（分化的第一步），但这样的细胞依然存在缺陷（分化后的阶段）。这意味着获救的细胞仍无法完全发挥先天免疫系统的功能，先天免疫系统是人体抵抗感染的第一道防线。

这一发现也强调了治疗受致病突变影响的每种细胞类型的重要性。新的分子平台有助于促进治疗干预的新思路。

融合生物学和超级计算机

这项研究始于人类遗传学部门，研究人员使用一种临床测定方法对225名SCN儿童的细胞基因组进行了重新测序。他们在GFI1基因中发现了DNA序列改变。尽管已知GFI1中的某些突变会引起中性粒细胞减少症，但许多GFI1 DNA序列变化的临床意义尚不清楚。

因此，研究团队将计算生物信息学（由通讯作者Nathan Salomonis博士领导）部门展开了合作。

为了确定GFI1中任何新发现的DNA序列变化是否会引起中性粒细胞减少，研究人员创建了两个遗传模型：将SCN患者的GFI1突变基因遗传引入了小鼠基因组，以及诱导了人体诱导多能干细胞，这些细胞可以诱导干细胞产生人嗜中性粒细胞。

研究人员在正常和突变的人体细胞和小鼠的整个发育周期各个阶段都捕获了它们表达的基因，蛋白质组和其他分子成分。然后们采用了被他们命名为cellHarmony的新信息学工作流程，这样就能详细并比较中性粒细胞发育各个阶段的下游靶基因以及正常细胞和突变细胞的分子活性。

研究人员发现，在具有突变GFI1的人体细胞和小鼠中，该突变触发了一系列分子功能障碍，阻止了未成熟中性粒细胞的发育，这证实了引起疾病的GFI1基因DNA序列改变的作用。

这种功能障碍部分是由正在发育的突变细胞核中染色质的缺陷所推动的。细胞核中含有遗传密码，突变细胞中的染色质保持开放状态，并在随后的整个发育阶段出现DNA突变，这有助于科学家确定受突变基因影响最大的细胞状态。

患有SCN的儿童定期接受粒细胞集落刺激因子的细胞因子治疗，该疗法可挽救产生的中性粒细胞。但是这些孩子通常需要接受抗生素和抗真菌药物的治疗才能抵抗各种感染。

这提出了一个问题，即细胞因子治疗是否能完全修复这一缺陷，特别是因为接受细胞因子疗法治疗SCN的儿童。当研究人员分析细胞因子治疗的SNC患者中性粒细胞的先天免疫功能时，他们发现与研究中的小鼠细胞相似，这些细胞未经历正常反应，并且先天免疫功能存在缺陷。

参考文献

Mouse models of neutropenia reveal progenitor-stage-specific defects