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GWAS研究的转机|转录因子(PU.1)参与调节阿兹海默症(AD)

2017-09-08 Edison 生信草堂

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在最近一段时间,有很多人唱衰GWAS (Genome-wide association study)研究,甚至在Cell和Am J Hum Genet这两个重量级杂志,连续发表了对GWAS研究的质疑性文章,让我们的老派的研究方法又体会了一把“回锅肉”的感觉。所以很多科学研究者都认为GWAS是一个不靠谱的研究方法,准备把它抛弃在历史的垃圾场。但是,GWAS真的是一个不靠谱的手段,不能帮我们找到想要的科学研究结果么?

首先,我们要知道GWAS的概念: GWAS是在某一特定人群中寻找其基因型与表型之间的相关性的研究,从而希望可以凭借遗传学的方法从中找到与疾病相关联的SNPs,而进行之后的研究。但是,在现阶段的研究中,GWAS的研究有1300余篇文献,6000多种疾病相关的易感位点之中,只有不到10% SNPs位于蛋白编码区,剩下的易感位点,由于无法解释它们的生物学功能,则不了了之。而且,由于有一些SNPs的信号没有超过GWAS显著的阈值(5×10-8),从而使我们忽略了一些有可能真正功能性的SNPs。今天,小编就为大家带来篇有别于之前老套的GWAS的文章,通过新的研究思路,结合表达数据,来精确找到致病基因,希望能给大家带来一些新的思路。


简单介绍:

论文题目:A common haplotype lowers PU.1 expression in myeloid cells and delays onset of Alzheimer’s disease

发表杂志Nature Neuroscience;

发表年份:2017年

影响因子:17.839

发表单位:Department of Medicine and McDonnell Genome Institute, Washington University in St. Louis


关联分析

作者刚开始的研究和别的GWAS区别不大,对阿兹海默症进行研究,对7个样本集进行Meta分析,包含有14406个Case和25849个Control。关联分析的结果是发现了4个显著的Variants.

在这里,实际上作者就有了一些不同于以往的“小心思”了。他并没有只关注于显著的SNP,而是把接近于显著的结果也囊括了进来(5×10-6),进行之后的分析。显著的SNP中,有三个SNP的结果是被之前所验证的,侧面体现了结果的可靠性。由表可知,作者得出的结果(后两列),和之前的研究结果具有很好的一致性,OR方向相同(Logistic OR/P value),再次make sure了本文的研究结果。之后,与AD的内在表型和基因型的关联分析,其结果验证了之前研究的两个SNP.


Cis-eQTL分析

为了解释他所找到的SNP的潜在功能,作者做了Cis-eQTL分析。首先,利用现有数据库,对target SNP在脑区的Cis-eQTL进行查询(BRAINEAC, http://caprica.genetics.kcl.ac.uk/BRAINEAC; GTEx Portal, https://www.gtexportal.org/home/ 推荐大家在以后的研究中也可以用这两个网站,简单易学)。但是显著的结果很不理想。于是,结合之前别人的研究成果,作者猜测有可能影响AD发病的原因是源于骨髓细胞中,而并不是脑区。

基于这个猜想,作者用3步来证实自己的想法。

1.用LD Score分析,分析AD的遗传力主要富集于与骨髓相关的骨髓造血细胞中,而对于精神病来说,则富集在脑细胞中;

2.作者用738个人类单核白细胞和巨噬细胞重新做了Cis-eQTL分析,找到了11个显著的SNP-Gene pairs,其结果的确比在脑区的结果显著很多;

3. 用432个人CD14+ 单核白细胞进行验证;

这个结果说明了骨髓细胞的确特异性的参与调控了AD的发病,而脑部的效果则有限的多。

Coloc test 分析

由于在之前的分析结果中,有太多的基因落在目标区域,作者想缩小研究范围,找到真正的Casual gene方便之后的研究,使用了Coloc test analysis。在研究的目标区域内,不论是单核白细胞和巨噬细胞中,SPI1都是作为一个显著的基因,作为一个最有可能的候选基因,可能是它的表达调控导致了AD的发生。

在对表达芯片的研究中发现,无论是在人还是小鼠中,SPI1的表达都呈现了极高的组织特异性,在脑区很少表达,而在小神经胶质细胞中高表达。


Conditional and SMR分析

在确定了目的基因之后,由于在目的基因的区间里有很多很强LD的SNP不仅与AD有显著关联,而且与基因的表达也是显著相关的。如果根据以往的经验,我们就会选择最显著的结果。但是,这对于有些真正功能的SNP有可能就会被miss掉。这次作者又给了我们惊喜。他用了Conditional analysis和 SMR analysis两种分析方法来寻找真正的functional SNP。但是,和之前研究和AD显著的结果进行Conditional分析,作者只能缩小了范围以及确定他所找到的SNP的准确性,却并不能精确的找到真正的功能性位点。为此,作者做了SMR分析。其结果没有能帮我们精确的找到单一的位点。


功能验证

PU.1是被SPI1编码的转录因子。根据ChIP-seq的结果,发现SPI1大量出现在脑小神经胶质细胞以及血液骨髓细胞中;其次,在SPI1区域中,PU.1和许多基因的转录起始位点都是特异性结合的。

之后,作者用吞噬实验,对PU.1的功能进行验证。分别对PU.1进行了shRNA沉默以及过表达处理,不同处理的PU.1和噬菌效率显著相关。而且随着PU.1表达量的改变,与AD相关的致病基因的表达量也是显著改变的。这就证明了PU.1作为一个重要的转录因子,参与调控了AD的发病。


文章小结

不可否认,目前GWAS的研究陷入了瓶颈,花费了大量费用的GWAS研究,所得到的结果很难 53 28568 53 15289 0 0 2993 0 0:00:09 0:00:05 0:00:04 2993利用在临床研究中,对疾病预测的贡献甚至小于7%,不能帮助科研与市场结合,严重的付出回报不成正比。因此,新的思路和研究方法迫在眉睫,功能验证也将必不可少。在这篇文章中,作者通过基因组和表达数据的结合,精确地找到了SPI1作为新的致病基因,参与调控了AD的发病。为之后的研究带来了新的研究思路和方法。





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