兩篇Cell文章發布高通量遺傳篩查技術

　　由來自麻省理工學院和哈佛大學Broad研究所、哈佛大學、Dana-Farber/波士頓兒童癌癥與血液疾病中心的科學家們完成的這項研究，以兩篇文章形式發表在6月2日的《細胞》（Cell）雜志上，其利用了一種叫做“大規模并行報告基因檢測”（massively parallel reporter assay）的實驗技術。這一技術使得研究人員能夠探測成千上萬的DNA變異，以鑒別出影響基因調控——基因如何開啟和關閉的遺傳變異。

　　遺傳學家面臨的一個問題是有過多的候選致病變異。在過去的十年里，利用一種叫做全基因關聯研究（GWAS）的方法，全世界的研究人員鑒別出了與廣泛疾病風險和其他一些重要身體性狀相關的許多人類DNA片段。然而，由于每個區域可以包含成百上千的遺傳變異，很難分辨出哪一區域真正使得人們有更大的可能患病。

　　其中一篇Cell論文的資深作者、Broad研究所準成員、Dana-Farber/波士頓兒童癌癥與血液疾病中心的Vijay Sankaran說：“采用GWAS，你會得到一組信號，告訴你基因組哪些區域與一種特定疾病或性狀有關聯。但卻很難知道哪些是因果擊中點（hits），哪些只是湊熱鬧的。”

　　當談及非編碼DNA中的變異，尤其是包含基因表達控制序列的大DNA片段時，圖像變得尤為復雜。據估計，大約85-90%GWAS獲得的變異存在于這樣的區域中。因此，科學家們正在尋找一些方法來連接非編碼GWAS變異、人類生物學及最終人類疾病之間的點。

　　第二篇Cell論文的資深作者、Broad研究所成員、哈佛計算遺傳學家和進化生物學家Pardis Sabeti說：“我們想從認識基因組元件片段轉向了解這些元件發生的改變做了些什么。我們需要非常敏感的技術能夠鑒別出這些功能改變，尤其是如果它們是微細的。”

　　變成大規模

　　數十年來作為基因組學工具箱的一個重要組成部分，報告基因檢測幫助科學家們篩查GWAS數據找到了一些真正影響基因表達或功能的變異。一位研究人員從增強子那里取得一個DNA片段，在一個質粒內將它與提供讀取值（readout）的一個“報告”基因（如熒光素酶基因）連接到一起，將這一質粒插入到細胞中。如果讀取值形象化（例如，如果細胞發光），這一增強子序列驅動了報告基因表達。通過采用同一片段的不同變體進行這樣的分析，就會出現一種模式表明某些變異影響了表達。

　　但這樣的檢測方法有一個主要的缺點：它們無法擴展至調查GWAS中發現的成千上萬到數萬變異所需的水平。

　　在2012年的一篇Nature Biotechnology論文中，Broad研究所的Tarjei Mikkelsen和Alexandre Melnikov指出，給每個質粒標記一個短的、獨特的DNA條形碼可提供第二個讀取值。通過測序和計算每個質粒生成的mRNAs，他們可以很容易地辨別出對基因表達有最大影響的變異，并定量影響的量級。

　　由于每個質粒都有一個獨特的條形碼，Mikkelsen和Melnikov的研究小組可以同時檢測成千上萬的變異。

　　追蹤血細胞性狀

　　Sankaran實驗室利用Mikkelsen和Melnikov的MPRA系統細查了與紅細胞性狀相關聯的75個GWAS擊中點中的2,750多個非編碼變異。Sankaran、共同第一作者Jacob Ulirsch和Satish Nandakumar在他們的Cell論文中報告稱，MPRA數據揭示了32個真正影響基因表達的擊中點。利用其他的計算和功能檢測進一步探查其中一部分變異對紅細胞性狀的影響，該研究小組發現幾個已知的基因在紅細胞發育中發揮了以往未發現的作用。

　　Ulirsch說：“我們的一個意外收獲是，發現許多變異調整了一個主要的血液發育調控因子GATA1。這是一種常見模式。一個一個變異篩查，我們永久都無法看到這種模式。”

　　構建MPRA 2.0

　　盡管Mikkelsen和Melnikov的原始方法相當強大，Sabeti實驗室想看看他們能否讓它變得更強大。

　　第二篇Cell論文的第一作者、Sabeti實驗室博士后Ryan Tewhey說：“原始版本的MPRA限制了你可以測試的變異數量。我們想知道是否能擴展這一技術？是否可以同時測試數萬的變異？是否能讓它更敏感？”

　　Tewhey、Sabeti和研究小組將每個DNA條形碼的長度增加了一倍，將條形碼的數量提高至350個/每個變異。隨后他們利用增強版檢測方法研究了千人基因組計劃鑒別出的32,000多個可能的B細胞調控變異，深入確定了與自身免疫疾病強直性脊柱炎風險相關的一種變異的特征。他們還闡明了另外的842個候選變異，包括53個尤其有前景的，與一些人類性狀和疾病相關的變異。

　　如他們在Cell論文中討論的，添加條形碼減少了他們數據中的噪音，提高了檢測的整體敏感度。

　　“利用更多的條形碼，你可以開始檢測出更細微的表達改變，包括可能是等位基因之間的差異導致的改變，Tewhey說。

　　對于調控的另一種看法

　　MPRA不是在GWAS的大海中撈針的唯一方法，Tewhey認為它不是研究所有細胞表達調控機制的萬能方法。

　　“對于啟動子和增強子，我們知道它可以很好地起作用，對于與長距離連接或基因組形狀相關的事情，我們沒有那么自信，”Tewhey說。