來源：生物通         時(shí)間：2020-06-01

       本周《Nature》，有四篇論文提供了從基因組聚集數(shù)據(jù)庫（Genome Aggregation Database）收集到的深入見解。 

本文圖片來自Broad研究所

        gnomAD，是保存了60706個(gè)個(gè)體的外顯子的2016年的ExAC數(shù)據(jù)庫的升級(jí)版，它總共收集了125748個(gè)外顯子和15708個(gè)全基因組序列。 

        本周《Nature》，有四篇論文提供了從基因組聚集數(shù)據(jù)庫（Genome Aggregation Database）收集到的深入見解。  

       這種規(guī)模和范圍的增加使得gnomAD聯(lián)盟不僅可以對(duì)個(gè)體之間的單核苷酸變異進(jìn)行分類，還可以對(duì)由50個(gè)或更多核苷酸組成的更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變異進(jìn)行分類。在本期Nature重點(diǎn)論文中，康拉德?卡澤夫斯基（Konrad Karczewski）和同事們回顧了這個(gè)數(shù)據(jù)庫，并探索了能夠使蛋白質(zhì)編碼基因失活的變體。在第二篇論文中，貝麗爾?卡明斯（Beryl Cummings）和同事證明，RNA表達(dá)數(shù)據(jù)可以用來指導(dǎo)變異的演繹方式。在另一篇論文中，埃里克?米尼克爾（Eric Minikel）和同事們探討了gnomAD數(shù)據(jù)如何幫助識(shí)別藥物的基因靶點(diǎn)。在第四篇論文中，瑞恩?柯林斯（Ryan Collins）團(tuán)隊(duì)則列出了433371個(gè)結(jié)構(gòu)變異的目錄，并分析了它們對(duì)生理特性的影響。 

      下面讓我們?cè)敿?xì)介紹一下這幾篇本期重點(diǎn)文章。 

     在過去的八年里，基因組聚集數(shù)據(jù)庫（gnomAD）聯(lián)盟（和它的前身，外顯子集合聯(lián)盟，簡稱ExAC）一直與世界各地的遺傳學(xué)家合作，從世界各地的人群中收集和研究超過125000個(gè)外顯子和15000個(gè)全基因組。  

       最近，《Nautre》、《Nature Communications》和《Nature Medicine》上總計(jì)發(fā)表了七篇論文。gnomAD 聯(lián)盟的科學(xué)家描述了他們從數(shù)據(jù)庫中獲得的第一組發(fā)現(xiàn)，顯示了這一海量數(shù)據(jù)收集的威力。這一系列旗艦隊(duì)論文的收獲是：  

       一、提出一個(gè)更完整的目錄和理解一類罕見的遺傳變異，被稱為功能喪失（loss-of-function，LoF）變異，它被認(rèn)為會(huì)破壞基因編碼蛋白質(zhì)； 

        二、介紹了一個(gè)尚未研究但重要的遺傳變異類型，結(jié)構(gòu)變異（structural variants）的最大綜合參考圖； 

      三、說明獨(dú)特變異形式和變異生物背景的工具如何幫助臨床遺傳學(xué)家診斷罕見遺傳病患者； 

       四、舉例說明像gnomAD這樣的規(guī)模的數(shù)據(jù)集如何幫助評(píng)估擬議的藥物靶點(diǎn)。  

       麻省理工大學(xué)Broad研究所、哈佛大學(xué)和麻省總醫(yī)院（MGH）的研究人員擔(dān)任所有研究的聯(lián)合第一或聯(lián)合高級(jí)作者，英國倫敦帝國理工學(xué)院、直接面向消費(fèi)者的遺傳學(xué)公司23andMe和其他機(jī)構(gòu)的科學(xué)家為論文個(gè)人作者。國際上有100多名科學(xué)家和團(tuán)體向該聯(lián)盟提供了數(shù)據(jù)和/或分析工作。 

       “這些研究代表了gnomAD聯(lián)盟的第一次重大發(fā)現(xiàn)浪潮，”gnomAD項(xiàng)目的科學(xué)負(fù)責(zé)人丹尼爾?麥克阿瑟（Daniel MacArthur）說，他是其中六項(xiàng)研究的資深作者，是Broad 研究所醫(yī)學(xué)和人口遺傳學(xué)項(xiàng)目的研究所成員?！边@一數(shù)據(jù)庫的力量來自其龐大的規(guī)模和人口多樣性，我們之所以能夠接觸到這一點(diǎn)，是因?yàn)橄蚱涮峁?shù)據(jù)的研究人員和參與這些貢獻(xiàn)研究的研究人員的慷慨捐助?！? 

      “從某種意義上說，gnomAD是一個(gè)聯(lián)盟產(chǎn)物，因?yàn)榛A(chǔ)數(shù)據(jù)代表了許多團(tuán)體的工作和貢獻(xiàn)，他們一直在收集外顯子和基因組序列，以此來理解人類生物學(xué)，”Konrad Karczewski說，他是發(fā)表在《Nature》雜志旗艦論文的第一作者，也是Broad和MGH分析和轉(zhuǎn)化遺傳學(xué)部門的計(jì)算生物學(xué)家。“這些論文中的每一篇都代表著有人給數(shù)據(jù)集帶來了一個(gè)新的視角……我有一個(gè)想法，我們可以把所有這些都付諸實(shí)踐，”他說?！安檫z傳學(xué)界創(chuàng)造了一個(gè)新的資源?？吹剿归_真是太神奇了?！?    

       “巨人”的成長史  

     Karczewski和他的同事建立了ExAC，然后gnomAD擴(kuò)展了際上第一個(gè)大規(guī)模的人類遺傳變異分類“1000個(gè)基因組”項(xiàng)目和其他項(xiàng)目的工作。 

        Karczewski回憶說：“2012年，我的實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)罕見疾病患者的基因組進(jìn)行測序，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的正常變異目錄不夠大或多樣，不足以幫助我們解釋我們所看到的基因變化。與此同時(shí)，我們?cè)谑澜绺鞯氐耐乱呀?jīng)對(duì)數(shù)萬人進(jìn)行了測序，以研究常見的、復(fù)雜的疾病。因此，我們著手將這些數(shù)據(jù)集整合在一起，為罕見疾病研究創(chuàng)建一個(gè)參考數(shù)據(jù)集?！? 

       ExAC聯(lián)盟于2014年10月發(fā)布了其首次收集的全部外顯子組數(shù)據(jù)。然后開始收集全基因組數(shù)據(jù)，演變成gnomAD聯(lián)盟，并于2017年2月發(fā)布gnomAD v1.0。 

        隨后的gnomAD版本關(guān)注于增加外顯子和基因組的數(shù)量、數(shù)據(jù)中突出顯示的變體的數(shù)量以及數(shù)據(jù)集的多樣性。 

       這些新的論文基于gnomAD v2.1.1數(shù)據(jù)集，其中包括來自超過25000名東亞和南亞后裔、近18000名拉丁裔和12000名非裔或非裔美國人的基因組和外顯子。    

       一款全面的綜合目錄 

        七篇論文中有兩篇展示了大的基因組數(shù)據(jù)集如何幫助研究人員更多地了解稀有或未被研究的基因變異類型。 

       由Karczewski和MacArthur領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表在《Nature》雜志上這兩篇研究描述了gnomAD和功能喪失（LoF）變異圖譜，LoF被認(rèn)為是完全破壞蛋白質(zhì)編碼基因功能的基因變化。作者在gnomAD數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)了443000多個(gè)LoF變體，大大超過了以前的所有目錄。通過比較每個(gè)基因中這些罕見變異的數(shù)量和人類基因組突變率的新模型的預(yù)測，作者還能夠?qū)⑺芯幋a蛋白質(zhì)的基因?qū)ζ茐男酝蛔兊哪褪艹潭葋韺?duì)它們進(jìn)行分類，也就是說，當(dāng)基因被基因變異破壞時(shí)，基因引起重大疾病的可能性有多大。這一新的分類方案確定了更可能與諸如智力殘疾等嚴(yán)重疾病有關(guān)的基因。

        Karczewski解釋說：“gnomAD目錄為我們提供了迄今為止對(duì)基因變異敏感性譜的最佳觀察，并為支持常見和罕見疾病中的基因發(fā)現(xiàn)提供了資源?！? 

       當(dāng)Karczewski和MacArthur的研究集中于小的變異（點(diǎn)突變、小的插入或刪除等）時(shí)，研究生Ryan Collins、Broad的科學(xué)家Harrison Brand、Michael Talkowski和同事使用gnomAD來探索結(jié)構(gòu)變異。這類基因組變異包括重復(fù)、缺失、反轉(zhuǎn)和其他涉及較大DNA片段（通常大于50-100堿基長）的變化。他們的研究也發(fā)表在《Nature》雜志上，展示了一個(gè)包含433000個(gè)結(jié)構(gòu)變異的目錄，gnomAD-SV。這些在將近15000個(gè)gnomAD基因組中識(shí)別出的結(jié)構(gòu)變異，代表了大多數(shù)已知的主要結(jié)構(gòu)變化類別，并共同形成了迄今為止最大的結(jié)構(gòu)變異圖譜。

        “眾所周知，在全基因組數(shù)據(jù)中識(shí)別結(jié)構(gòu)變異是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，而且以前從未進(jìn)行過這種規(guī)模的調(diào)查，”Talkowski指出，他也是MGH基因組醫(yī)學(xué)中心的一名教員?！暗鼈儽热魏纹渌儺愋问蕉寄芨淖兓蚪M中更多的個(gè)體堿基，是人類進(jìn)化和疾病的可靠驅(qū)動(dòng)力?！?/span>

        他們的調(diào)查得出了幾個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。例如，平均每個(gè)基因組中至少有25%的罕見LoF變異實(shí)際上是結(jié)構(gòu)變異，許多人攜帶的是有毒有害的結(jié)構(gòu)改變，但沒有預(yù)期的表型或臨床結(jié)果。  

       他們還指出，許多基因?qū)?fù)制和缺失同樣敏感；也就是說，從進(jìn)化的角度來看，獲得一個(gè)或多個(gè)基因拷貝和失去同樣不受歡迎。  

       “我們通過從gnomAD建立這個(gè)目錄學(xué)到了很多東西，但我們顯然只觸及了了解基因組結(jié)構(gòu)對(duì)生物學(xué)和疾病影響的表層，”Talkowski說。    

       更好的診斷工具 

       另外三篇論文揭示了gnomAD對(duì)不同類型遺傳變異和變異產(chǎn)生的細(xì)胞環(huán)境的深入分類如何幫助臨床遺傳學(xué)家更準(zhǔn)確地確定給定變異在患者中是保護(hù)性的、中性的還是有害的。  

       在《Nature》雜志的一篇論文中，前Broad/MGH研究生Beryl Cummings，現(xiàn)在Maze療法工作，MacArthur和他們的同事發(fā)現(xiàn)，基于組織的特定基因片段表達(dá)方式的差異可以改變這些片段內(nèi)的變體對(duì)生物學(xué)和疾病風(fēng)險(xiǎn)的下游影響。研究小組將來自gnomAD和基因型組織表達(dá)（GTEx）項(xiàng)目的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，開發(fā)出一種利用這些差異來評(píng)估變異的臨床意義的方法。  

       在《Nature Communications》雜志上，MacArthur、研究生Qingbo Wang和合作者調(diào)查了多核苷酸變異，這些變異是由兩個(gè)或多個(gè)相鄰堿基對(duì)的變化共同遺傳而成的。這種變異可能有復(fù)雜的影響，本研究首次嘗試系統(tǒng)地分類這些變異，檢查它們?cè)谡麄€(gè)基因組中的分布，并預(yù)測它們對(duì)基因結(jié)構(gòu)和功能的影響。  

       在另一篇Nature Communications文章中，MacArthur、Nicola Whiffin和倫敦帝國理工學(xué)院的詹姆斯?威爾（James Ware）等人探索了5’非編碼區(qū)的DNA變異的影響，這些區(qū)域正好位于細(xì)胞轉(zhuǎn)錄機(jī)器開始讀取基因蛋白質(zhì)代碼的地方。這些區(qū)域的變異可以誘使細(xì)胞在錯(cuò)誤的地方開始閱讀基因，這些信息以前并沒有很好的綜合記錄。  

       “臨床實(shí)驗(yàn)室每天都在使用gnomAD，”臨床遺傳學(xué)家Heidi Rehm說，他是Broad MPG的研究所成員，也是Broad臨床研究測序平臺(tái)的醫(yī)學(xué)主任；MGH醫(yī)學(xué)部的首席基因組學(xué)官員。“這些研究中的方法已經(jīng)在幫助我們更好地解釋患者的基因測試結(jié)果。”    

       指導(dǎo)藥物開發(fā) 

        剩下的兩篇論文描述了gnomAD多樣性、群體規(guī)模的遺傳數(shù)據(jù)如何幫助研究人員評(píng)估和選擇最佳藥物靶點(diǎn)。 

        2018年，Broad的科學(xué)家埃里克?米尼克爾（Eric Minikel）在他的研究博客上思考，是否可以利用具有自然發(fā)生的預(yù)測性LoF變異的基因來評(píng)估用藥物靶向這些基因的安全性。他寫道，如果一個(gè)自然失活的基因似乎沒有有害影響，也許該基因也可以安全地被藥物抑制。那篇博文成為了一篇Nature論文的基礎(chǔ)，Minikel，MacArthur和他的同事們應(yīng)用gnomAD數(shù)據(jù)集來探討了這個(gè)問題。他們提出了將LoF變異體的見解納入藥物開發(fā)過程的方法。 

        利用Broad研究所的專業(yè)知識(shí)，Whiffin，MacArthur，Broad博士后研究員伊琳娜?阿姆恩（Irina Armean），23andMe公司的亞倫?克萊曼（Aaron Kleinman）和保羅?坎農(nóng)（Paul Cannon），以及其他人用UK Biobank、gnomAD和23andMe中的LoF變體目錄，研究減少一種與帕金森病風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)叫做LRRK2的基因的表達(dá)。 

       在《Nature Medicine》文中，他們利用這些數(shù)據(jù)預(yù)測降低LRRK2蛋白水平或部分阻斷基因活性的藥物不太可能有嚴(yán)重的副作用。

        MacArthur說：“我們整理了gnomAD中大量基因-破壞變體。通過這兩項(xiàng)研究，我們展示了如何利用這些變異來闡明和評(píng)估潛在的藥物靶點(diǎn)。”    

       gnomAD共享信息的未來價(jià)值，不可限量 

      所有數(shù)據(jù)的公開共享從一開始就是gnomAD項(xiàng)目的核心原則。這7篇論文背后的數(shù)據(jù)已在2016年通過gnomAD瀏覽器公開發(fā)布，沒有使用或發(fā)布限制。  

       MacArthur說：“這個(gè)資源已經(jīng)對(duì)現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)研究和臨床實(shí)踐產(chǎn)生了廣泛的影響，這證明了基因組數(shù)據(jù)共享和聚合的難以置信的價(jià)值。自從我們提供數(shù)據(jù)以來，已有350多個(gè)獨(dú)立的研究利用gnomAD對(duì)癌癥易感性、心血管疾病、罕見的遺傳性疾病等進(jìn)行了探究。  

       “但我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到發(fā)現(xiàn)飽和，或變體解釋飽和。該聯(lián)盟下一步的重點(diǎn)將是增加這些資源的規(guī)模和種群多樣性，并將由此產(chǎn)生的大規(guī)模遺傳數(shù)據(jù)集與臨床信息聯(lián)系起來?！?nbsp;

        相關(guān)文獻(xiàn)檢索： 

       1. Nature volume 581. The mutational constraint spectrum quantified from variation in 141,456 humans 

        2. Nature volume 581.A structural variation reference for medical and population genetics 

       3. Nature volume 581.Transcript expression-aware annotation improves rare variant interpretation 

       4. Nature volume 581.Evaluating drug targets through human loss-of-function genetic variation 

    5. Nature Communications volume 11. Landscape of multi-nucleotide variants in 125,748 human exomes and 15,708 genomes 

     6. Nature Communications volume 11. Characterising the loss-of-function impact of 5’ untranslated region variants in 15,708 individuals

        7. Nature Medicine volume 26. The effect of LRRK2 loss-of-function variants in humans