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近二十多年來，人類基因組學研究不斷取得突破性進展，許多導致疾病的基因被一一揭示，并不斷發現了新的治療靶點。全基因組關聯研究（GWAS）也已識別了數千種與疾病相關的遺傳變異。

然而，確定所有突變基因的功能及其導致的健康結果一直是個巨大的挑戰。早先的研究繪制了這些變異的順式調控作用；但在許多情況下，這種方法并不能闡明疾病的病因。

科學家們認為，許多順式調控基因可能并沒有直接參與疾病相關過程，而是反式調控在發揮重要作用。因此，繪制跨調控連接圖譜對于識別最顯著的疾病基因至關重要。

2022年7月11日，發表在《Nature Genetics》上的一項新研究中，來自加州大學舊金山分校和斯坦福大學的研究團隊開發了一種新方法，同時研究了免疫細胞內的數千個基因，并繪制了迄今為止描述基因功能復雜網絡最完整的圖譜，揭示出免疫細胞功能和免疫疾病的基本驅動因素。該研究對于更好地了解個體遺傳變異與自身免疫性疾病風險之間的關系，以及識別有前途的新藥物靶點至關重要。

眾所周知，T細胞是獲得性免疫系統的重要組成成分，它們的任務是抵感染和癌癥。當被激活時，T細胞內數千種蛋白質的水平會發生變化，而且許多蛋白質是相互聯系的。因此，一種蛋白質水平的變化會導致另一種蛋白質水平的變化。

過去的方法是使用CRISPR基因編輯工具敲除一組選定的基因，然后測量基因表達的變化，然后確定其在人類T細胞中的下游靶點。但這種所謂的“下游映射”方法只識別了轉錄網絡中敲除基因下游的基因。因此，只揭示了部分真相。

相比之下，“上游映射”將使研究人員可以從感興趣的基因開始，無偏地發現控制其表達的上游調節因子。上游映射可用于識別已知疾病基因的調節因子，并推斷順式調控上游基因與疾病相關的基因突變如何反式調控下游疾病基因。

現在，研究人員將這些蛋白質和基因之間的聯系繪制成類似地鐵地圖的網絡，從而可以幫助解釋為什么兩個不同免疫基因的突變可能導致相同的疾病，或者一種藥物如何同時對許多免疫蛋白產生影響。

這種上游映射的方法就像規劃地鐵線路一樣，首先確定主要樞紐，然后確定到這些關鍵站點的路線，而不是費力地從不同的衛星站重建整個網絡。

在這項新研究中，研究人員使用CRISPR-Cas9基因編輯工具同時敲除人類原代T細胞庫中的數千個基因。然后，他們專注于能生成轉錄因子的基因，并從中確定了三個關鍵免疫基因產物的上游調節因子，即：IL2RA（也稱CD25）、IL-2和CTLA4。

隨后，他們分別敲除上述三個調節因子，并使用ATAC-seq和RNA-seq測量染色質可及性和基因表達的下游變化，以確定網絡結構、順式調控元件（CRE）靶點和共同調節的疾病基因。

他們發現，這三個基因的關聯程度令人感到驚訝：有117個調節因子至少調控三個基因中的一個基因的水平，39個調節因子調控兩個，10個調節因子同時改變了所有三個基因的水平。

為了進一步完善免疫基因圖譜，該團隊接下來采用了傳統的下游映射方法，他們從T細胞中移除24個精確調控的因子，以顯示除了IL2RA、IL-2和CTLA4外的完整基因列表。

研究人員發現，許多調節因子相互控制。例如，轉錄因子IRF4改變了其他9種調節因子的活性，并且自身受另外其他15個調節因子調節；所有24個調節因子控制IL2RA的水平。在某些情況下，調節因子本身由IL2RA在反式調控中進行調節。

就像在密集的地鐵網絡中一樣，每個樞紐都有幾個“換乘車站”，可以與其他樞紐相連，而且連接是雙向的。

研究人員表示，有些情況下，轉錄因子調節IL2RA，但IIL2RA本身也控制著同一轉錄因子。這類反向調控網絡似乎比之前意識到的關聯程度更高。

在所有受調節因子調控的完整基因列表中，研究人員發現了大量與免疫疾病相關的基因，包括多發性硬化癥、狼瘡和類風濕性關節炎。

他們表示，新的圖譜有助于揭示與這些疾病相關的基因變化如何出現在不同的基因中，但由于基因之間的調節聯系，最終對細胞產生了相同的影響。

總之，已鑒定的調節因子共同調節一個中心網絡，該網絡明顯富集了與免疫疾病相關的基因，當受到干擾時，它會增加疾病風險。IL2RA、IL-2和CTLA4作為該網絡的節點，是癌癥和自身免疫性疾病藥物開發的靶點，因此，這個基因網絡將有助于識別那些有前途的新藥物靶點。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41588-022-01106-y