Nature | 基因表达的‘随机性’是健康的屏障还是疾病的推手？

生物探索

2025-01-03 16:35发布于江苏科学领域创作者

AI划重点 · 全文约6443字，阅读需19分钟

1.单等位基因随机表达（aRMAE）现象可能影响先天性免疫缺陷疾病的表型差异，使其成为疾病发生的重要因素。

2.研究发现，约4.3%的免疫相关基因和5.2%的普通基因会经历aRMAE，这些基因在不同细胞中选择性表达某一等位基因。

3.aRMAE的表达偏向与细胞类型和基因功能密切相关，可能通过表观遗传修饰如DNA甲基化和组蛋白修饰实现。

4.由于此现象，结合RNA测序分析基因的aRMAE模式，可以提高遗传疾病诊断的准确性。

5.未来，通过调控aRMAE表达模式，或许能在分子水平上干预疾病的发生和发展，为精准医学实践提供可能性。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

免疫系统是人体抵御外界病原体入侵的关键防线，而先天性免疫缺陷（Inborn Errors of Immunity, IEI）是一类因基因突变引起的疾病，可能导致感染、炎症、自身免疫及过敏等多种临床表现。虽然这些疾病通常由单个基因突变引起，但临床上常观察到一些令人困惑的现象——在同一家族中，即便所有成员携带相同的致病基因突变，其疾病表现却千差万别，有些人完全健康，而另一些人则表现出严重的病症。这种现象被称为“不完全外显率”，长期以来困扰着医学研究人员。
近年来，研究者逐渐发现，一种被称为“单等位基因随机表达”（autosomal Random Monoallelic Expression, aRMAE）的现象，可能在这种表型差异中扮演重要角色。aRMAE指的是在某些细胞中，基因的两条等位基因中只有一条被表达，而另一条则被沉默，这种表达模式是随机的，且在细胞分裂中得以维持。通过对T细胞和B细胞等免疫细胞的深入研究，科学家们发现，这种基因表达方式可能影响突变基因的功能，从而调控疾病的严重程度。
1月1日Nature的研究报道“Monoallelic expression can govern penetrance of inborn errors of immunity”，通过大规模基因组测序和表观遗传学分析，首次系统性地探讨了aRMAE在IEI中的作用。研究人员发现，aRMAE在健康个体中广泛存在，且某些与IEI相关的基因更易受到这种表达模式的影响。更重要的是，在一些家族性IEI病例中，研究者进一步揭示了aRMAE如何通过偏向突变或正常等位基因的表达，影响患者的疾病表现和临床外显率。
这一研究不仅为解析IEI的复杂机制提供了全新视角，也为基因水平上的精准医学铺平了道路。通过更深入地理解aRMAE对基因表达和疾病表型的影响，未来或许可以开发出更加个性化的诊断和治疗方案，帮助更多患者摆脱遗传性疾病的困扰。

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基因表达的另一面：什么是单等位基因随机表达（aRMAE）？
在人类基因组中，绝大多数基因在正常情况下通过“双等位基因表达”（biallelic expression）模式运行——来自父母双方的两条等位基因同时表达，从而确保遗传信息的完整传递和基因功能的稳定。然而，一种更加隐秘而复杂的表达模式——单等位基因随机表达（autosomal Random Monoallelic Expression, aRMAE）却打破了这一常规，展现了基因调控领域的另一面。
aRMAE是一种随机性很强的基因表达现象，其核心特征在于：在某些细胞中，仅有一条等位基因被表达，而另一条则处于沉默状态。这一表达选择是随机的，与等位基因的来源无关，同时具有高度稳定性，在细胞分裂过程中得以延续。研究表明，大约2%至10%的常染色体基因可能经历aRMAE，而与基因功能或染色体位置并无显著关联。
更令人惊讶的是，aRMAE不仅局限于某些特殊的基因家族（如嗅觉受体和免疫球蛋白基因），还可能广泛影响多种基因，包括那些与免疫功能密切相关的关键基因。通过对健康供体的T细胞克隆系统进行研究，研究人员发现，在基因组范围内，约4.3%的与免疫相关的基因显示出aRMAE现象。而在普通基因中，这一比例更高，达到5.2%。
这一现象的生物学意义何在？aRMAE为单细胞水平的基因表达提供了多样性，能够在基因网络中增加系统的适应性和灵活性。然而，当这种表达偏向涉及突变基因时，可能导致疾病表型的多样性甚至严重性加剧。例如，研究发现某些基因的aRMAE可能直接影响遗传性免疫缺陷疾病的外显率，为疾病的机制研究提供了新的视角。

隐秘的遗传因素：不完全外显率和表型差异之谜
在遗传病研究中，研究人员发现了一个长期未解的谜题：为什么同一家族中的成员携带相同的致病基因突变，却呈现出截然不同的临床表现？这一现象被称为“不完全外显率”（Incomplete Penetrance），是指尽管基因突变存在，却未必引发疾病的表型表现。
以先天性免疫缺陷（Inborn Errors of Immunity, IEI）为例，研究显示，即使某些家族成员遗传了相同的致病突变，部分人可能完全没有疾病症状，而另一些人则表现出严重的感染或免疫紊乱。这种表型差异不仅存在于个体之间，也可能出现在同一患者的不同细胞类型中，这为疾病的诊断和治疗增加了极大复杂性。
不完全外显率的成因多种多样。一方面，环境因素和基因修饰基因（modifier genes）可能发挥了重要作用。例如，某些个体可能因生活方式、感染史或其他外界刺激对基因表达产生调节作用，从而减轻了突变的影响。另一方面，近年来的研究表明，单等位基因随机表达（aRMAE）也可能是这一现象的重要原因。研究发现，aRMAE可能偏向性地表达正常或突变等位基因，从而决定了疾病的表型是否显现。
该研究发现，在具有JAK1基因突变的家族成员中，不同个体的T细胞表现出截然不同的等位基因表达模式。一些患者的T细胞主要表达正常的等位基因，因此症状较轻或未受影响；而另一些患者的T细胞则呈现双等位基因表达，可能导致病症加剧。此外，PLCG2基因的突变也被证实在不同家族成员中展现了类似的模式，进一步支持aRMAE对疾病表型的调控作用。
这种现象提示我们，传统的基因检测可能不足以解释复杂的表型差异；相反，深入分析基因的“转录图谱”（Transcriptotype）以及环境与基因交互的机制，将为理解和预测遗传病的外显率提供重要线索。
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通过外源扩增的初级T细胞检测aRMAE的实验设计与结果（Credit: Nature）

实验设计（a，b）：
图a展示了实验的总体流程。研究团队从9名健康供体中分离外周血单个核细胞（PBMC），并通过克隆扩增方法（n=47个克隆），对单个CD4+或CD8+ T细胞进行扩增。通过这一方法，他们获得了来源于单个细胞的大量克隆，从而确保了检测aRMAE的高精度和特异性。为了分析等位基因表达模式，研究者利用全外显子组测序（WES）检测基因组中的异位单核苷酸多态性（het-SNPs），并通过RNA测序（RNA-seq）分析基因的转录情况。
图b则以图示方式概述了常染色体基因的三种可能表达模式：双等位基因表达（BAE），以及单等位基因随机表达中偏向参考等位基因（Ref）或替代等位基因（Alt）的情况。研究者设定了判定单等位表达的阈值，即等位基因不平衡度（AI）≥ 0.80或AI ≤ 0.20。
检测结果（c-f）：
基因识别范围（c）：WES分析显示，在健康供体PBMC中共检测到14,694个蛋白编码基因含有至少1个异位SNP，为aRMAE分析提供了广泛的目标基因。
RNA测序覆盖深度（e）： 在扩增克隆中，有3,438个基因的异位SNP位点在RNA-seq中达到至少30×的覆盖深度，确保了基因表达模式的可靠检测。
IEI相关基因分析（d，f）： 进一步分析发现，这14,694个基因中有318个与免疫先天性缺陷（IEI）相关基因包含至少1个异位SNP，而其中140个基因在RNA-seq中达到了至少30×的覆盖深度，成为aRMAE研究的关键目标基因。

基因与环境的交响曲：aRMAE在健康与疾病中的作用
基因表达的多样性是生物系统适应复杂环境的基础，而单等位基因随机表达（aRMAE）则是这种多样性的重要来源。在健康个体中，aRMAE被认为有助于增强基因网络的灵活性，为细胞群体提供了应对多变环境的能力。然而，当aRMAE作用于携带致病突变的基因时，它的“随机性”可能成为影响疾病表型的关键因素。
通过对健康供体T细胞克隆系统的大规模研究，研究人员首次系统性地揭示了aRMAE在正常基因组中的分布情况。研究表明，约4.3%的IEI相关基因和5.2%的普通基因会经历aRMAE。这些基因随机地在不同细胞中选择性表达某一等位基因，形成了基因表达的个体间和细胞间的显著差异。
在IEI患者中，aRMAE的影响则更为复杂。以PLCG2和JAK1基因为例，研究发现，这些基因的aRMAE模式与患者的临床表型紧密相关。例如，在PLCG2基因突变的家族中，一些患者的B细胞主要表达突变等位基因，导致抗体缺乏的严重表型；而另一些患者则主要表达正常等位基因，表型轻微甚至完全健康。类似地，对于具有JAK1突变的患者，aRMAE决定了T细胞是否选择突变等位基因的表达，从而直接影响疾病的严重程度。
更有趣的是，aRMAE并非在所有细胞类型中均匀分布，而是呈现出特定的偏向性。例如，某些免疫细胞类型（如B细胞和T细胞）更易受到aRMAE的影响，这进一步加深了我们对免疫系统复杂调控机制的理解。
这一研究不仅揭示了健康与疾病状态下aRMAE的分布模式，还表明了aRMAE在调控基因表达和疾病外显率中的潜在作用。它为我们提供了一个全新的视角，即疾病的发生不仅是基因突变的结果，也可能是基因表达“选择性”的体现，这种选择受到基因自身特性和环境多重因素的调控。

免疫缺陷的背后：aRMAE如何影响特定基因的表达？
单等位基因随机表达（aRMAE）不仅是基因表达调控的一个独特机制，还可能成为影响疾病严重程度的重要因素。通过具体基因如PLCG2和JAK1的案例，研究人员揭示了aRMAE如何在分子层面调节疾病的表型表现，进一步加深了我们对免疫缺陷疾病机制的理解。
PLCG2基因是一个典型的研究对象，其突变与抗体缺乏和免疫失调综合征（PLAID）密切相关。在一个家族中，携带PLCG2 exon 19缺失突变的两个亲属呈现了显著不同的临床表现：一位患者出现了严重的低丙种球蛋白血症，而另一位却完全正常。研究发现，这种表型差异与B细胞中PLCG2的aRMAE模式密切相关。低丙种球蛋白血症患者的B细胞主要表达突变等位基因，而健康个体的B细胞则同时表达正常和突变等位基因，或者主要表达正常等位基因。这种表达偏向直接影响了B细胞的钙离子通量和功能，从而决定了抗体缺乏的严重程度。
类似地，JAK1基因的aRMAE也显著影响了突变的表型外显率。JAK1是免疫信号传导的关键基因，其突变会导致炎症性疾病。然而，在一个家族中，尽管多位成员携带相同的JAK1突变，有些人表现出严重的临床症状，而另一些人则完全健康。研究表明，受影响患者的T细胞中存在双等位基因表达模式，导致突变蛋白功能的增强；而健康个体的T细胞则主要表达正常等位基因，从而抑制了突变的致病效应。
这些案例表明，aRMAE的表达选择在特定基因中并非随机，而是与细胞类型和基因功能密切相关。这种选择性决定了某些细胞是否能够通过偏向表达正常等位基因来缓解突变的影响，或因表达突变等位基因而加剧病症。

基因沉默的调控者：表观遗传修饰与aRMAE的关系
单等位基因随机表达（aRMAE）的随机性和稳定性使其成为基因表达调控的一个重要现象，而这种表达模式的形成和维持与表观遗传修饰密切相关。研究表明，DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传标记在aRMAE的调控中发挥了关键作用，为我们解开基因沉默之谜提供了重要线索。
通过对健康供体T细胞的研究，研究人员发现，与aRMAE相关的基因通常富含组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化（H3K27me3）和DNA甲基化等沉默标记。这些修饰可以通过改变染色质结构，限制某一等位基因的转录活性，从而实现随机的单等位基因表达。值得注意的是，H3K27me3标记的增加被认为是启动aRMAE的重要步骤，而DNA甲基化则通过增强基因沉默的稳定性进一步维持这种模式。
为了验证这些表观遗传修饰在aRMAE中的作用，研究人员使用小干扰RNA（siRNA）敲低了调控这些修饰的关键酶。例如，当抑制控制H3K27me3去甲基化的JMJD3基因时，研究者发现，某些T细胞克隆的PLCG2基因由单等位基因表达转变为双等位基因表达；而通过敲低DNA甲基化酶DNMT1，研究者观察到基因从双等位表达向单等位表达的转变。这些结果清楚地表明，H3K27me3和DNA甲基化不仅是aRMAE形成的必要条件，还在调控其动态平衡中起着重要作用。
此外，研究还发现，这些修饰并非单独起作用，而是通过复杂的网络相互影响。例如，H3K27me3和DNA甲基化可能协同调控染色质的开放状态，而组蛋白H3第4位赖氨酸三甲基化（H3K4me3）的减少也可能影响基因的活性表达。这种多层次的调控网络不仅揭示了aRMAE的形成机制，还表明表观遗传修饰是如何在分子层面精准控制基因的“开关”状态。
通过揭示表观遗传修饰与aRMAE的关系，研究者为理解基因表达的随机性提供了新视角。

实验背后的故事：研究人员如何揭示aRMAE的奥秘？
该研究采用了一系列创新方法，构建了一个从单细胞到全基因组的系统性分析框架，为理解aRMAE的机制提供了关键证据。
首先，研究团队通过对健康供体外周血单个核细胞（PBMC）的分离，建立了克隆T细胞扩增系统。他们从单个CD4+或CD8+ T细胞开始，经过8至12周的培养和扩增，每个克隆最终可获得超过10万个细胞。这种克隆扩增方法能够捕获单个细胞的起始基因表达状态，从而避免了群体细胞间的混杂信号，为研究aRMAE的单细胞起源提供了可靠的实验基础。
接下来，研究者人员使用全外显子组测序（Whole-Exome Sequencing, WES）对每个克隆的基因组DNA进行测序，以识别目标基因中的异位单核苷酸多态性（het-SNPs）。这些het-SNPs被用作等位基因表达的标志，为RNA测序提供了具体的分析靶点。随后，他们对扩增后的克隆细胞进行RNA测序（RNA-seq），通过比较het-SNPs处的参考等位基因与替代等位基因的表达比例，精准检测了单等位基因表达的现象。为了确保结果的可信性，他们还设置了严格的覆盖深度标准（至少30次读取），进一步提高了数据的准确性。
此外，为验证aRMAE的存在，研究团队采用了数字PCR（ddPCR）技术。这种方法通过荧光标记探针区分参考等位基因和突变等位基因，能够定量分析基因表达的偏向性，并验证RNA-seq结果的可靠性。
值得一提的是，为了探索aRMAE的调控机制，研究者还结合小干扰RNA（siRNA）敲低技术，对表观遗传调控因子（如JMJD3和DNMT1）进行功能验证。他们通过改变染色质修饰状态，成功观察到aRMAE模式的动态变化，从而为aRMAE的表观遗传基础提供了直接证据。

从分子到临床：aRMAE在免疫疾病诊断与治疗中的意义
单等位基因随机表达（aRMAE）的发现不仅揭示了基因表达调控的新层面，还为精准医学的实践提供了重要启示。在免疫相关疾病中，aRMAE的存在与其对表型的显著影响，正在重塑我们对疾病诊断和治疗的理解。
首先，在遗传性免疫疾病的诊断中，aRMAE引入了“转录图谱”（transcriptotype）的概念，这为传统的基因检测带来了全新视角。过去的诊断主要依赖于DNA水平的基因突变检测，而忽视了基因表达模式对疾病外显率的影响。以PLCG2和JAK1为例，研究发现aRMAE的表达偏向直接决定了细胞是主要表达正常还是突变等位基因，从而影响疾病表型的严重程度。这提示我们，结合RNA测序分析基因的aRMAE模式，可以提高遗传疾病诊断的准确性，尤其是在家族成员间表型差异显著的情况下。
其次，aRMAE的研究为个性化治疗提供了可能性。通过调控aRMAE表达模式，或许能够在分子水平上干预疾病的发生和发展。例如，对于由于突变等位基因表达占优而导致病症的患者，未来或可通过表观遗传学干预（如调节DNA甲基化或组蛋白修饰），倾向性地促进正常等位基因的表达。这种方法不仅为治疗提供了更精准的靶点，也有望减少传统疗法对健康细胞的副作用。
此外，aRMAE的发现为理解不完全外显率和表型多样性提供了科学依据，这对于预测疾病风险具有重要意义。通过评估患者特定基因的aRMAE状态和表达偏向，医生可以更精确地判断患者是否会表现出临床症状，并制定个性化的治疗或监测计划。
总体而言，aRMAE在分子水平上的精密调控正在为精准医学开辟新路径。从诊断的敏感性提升到治疗的特异性增强，这一发现不仅深化了我们对遗传疾病的理解，也为未来医学的发展提供了广阔的可能性。随着技术和研究的进一步推进，aRMAE或将成为疾病领域的一把“分子钥匙”。



参考文献


Stewart O, Gruber C, Randolph HE, Patel R, Ramba M, Calzoni E, Huang LH, Levy J, Buta S, Lee A, Sazeides C, Prue Z, Hoytema van Konijnenburg DP, Chinn IK, Pedroza LA, Lupski JR, Schmitt EG, Cooper MA, Puel A, Peng X, Boisson-Dupuis S, Bustamante J, Okada S, Martin-Fernandez M, Orange JS, Casanova JL, Milner JD, Bogunovic D. Monoallelic expression can govern penetrance of inborn errors of immunity. Nature. 2025 Jan 1. doi: 10.1038/s41586-024-08346-4. Epub ahead of print. PMID: 39743591.



责编|探索君
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