新加坡国立大学（NUS）的计算生物学家们揭示了外周血中不同细胞类型中RNA剪接——一种关键的异构体表达和蛋白质多样性调节过程——是如何被调控的。这一重要发现有助于解释个体的基因差异如何导致他们对系统性红斑狼疮（SLE）和格雷夫斯病（GD）等复杂疾病的易感性。
该项目是亚洲免疫多样性图谱（AIDA）联盟的一部分，该联盟利用来自五个国家超过600名亚洲捐赠者的超过一百万个免疫细胞（PBMCs）的大规模单细胞基因表达谱分析，来理解基因和环境如何使我们彼此不同并影响我们的健康。该研究由新加坡科学技术研究局基因组研究所（GIS）、三星基因组研究所、理化学研究所综合医学科学中心和南洋理工大学合作完成，于2024年12月3日作为封面文章发表在《自然·遗传学》杂志上。
替代剪接（AS）是信使RNA（mRNA）处理中的一个基本调节机制，异常剪接是遗传疾病的主要原因之一。为了理解剪接的遗传调控，之前的尝试如基因型-组织表达（GTEx）项目主要集中在组织水平的测量，这些努力表明不同的组织具有不同的剪接调控模式。
然而，这引发了一个有趣的问题：疾病相关的剪接遗传调控是否只发生在一种或少数几种细胞类型中？要回答这个问题，主要瓶颈是缺乏适合剪接分析的大型人群级细胞类型解析数据集及其相应的分析管道。
此外，亚洲人口在大规模遗传研究中明显代表性不足。例如，亚洲人在GTEx数据集中仅占1.3%，而欧洲血统的人则占84.6%。最近的一项研究表明，血统可能是影响遗传调控发现的主要因素，主要是由于等位基因频率的差异。这突显了迫切需要更好地代表多样血统的遗传研究。
为了填补这些研究空白，由助理教授刘波翔领导的研究团队，主要作者田驰、张云天和童一涵，利用AIDA单细胞RNA测序数据集分析了特定细胞类型的剪接。这项工作代表了首次对人群规模和遗传耦合的单细胞数据集进行全面的剪接调控分析。刘波翔教授在新加坡国立大学医学院生物医学信息学和精准医疗转化研究项目中担任联合任命，并在GIS担任兼职首席科学家。
亚洲免疫多样性图谱（AIDA）单细胞RNA测序数据集
AIDA数据冻结版本1包括多达21种免疫细胞亚型，用于上下文依赖的替代剪接和剪接定量性状位点（sQTL）分析。该数据集中的血液样本来自一个包含503名健康捐赠者的不同亚洲血统队列，涵盖了东亚、东南亚和南亚人口。这种多样性使得观察亚洲特有的剪接遗传调控成为可能。例如，已鉴定出TCHP基因的一个sQTL，可能会影响东亚人群中格雷夫斯病的风险。
由于平均测序深度高和5'文库制备捕获的“外显子绘制”效应（不完全逆转录加上随机mRNA切割和重新加帽，形成多个5'末端），AIDA scRNA测序数据保留了大量mRNA序列，特别适合进行剪接分析。
剪接调控的细胞类型特异性
该研究揭示了广泛存在的上下文依赖的剪接事件，这些事件通常特定于某种细胞类型。值得注意的是，一个受跨人群等位基因频率差异rs11064437驱动的血统偏向的SPSB2 mRNA异构体未在标准基因注释中记录，这突显了广泛使用的注释数据库中血统多样性的缺乏。
不仅剪接是细胞类型特异性的，其遗传调控也是细胞类型特异性的。术语上，sQTL是指影响RNA转录本剪接的遗传变异。该研究揭示了19种PBMC亚型中的11,577个独立顺式sQTL和607个反式sQTL，其中许多是细胞类型特异性和疾病相关的。
疾病中的意义及实验验证
这些发现提供了一个独特的资源，用于识别复杂特征和疾病的遗传变异和分子机制。研究人员通过展示顺式sQTL效应在自身免疫和炎症性疾病中的显著贡献，证明了疾病与剪接之间的联系。他们还鉴定了563个潜在风险基因。例如，发现一个亚洲特有的sQTL破坏了TCHP外显子四的5'剪接位点，可能调节东亚人群中格雷夫斯病的风险。sQTL效应已在K562细胞中通过迷你基因实验得到验证。
刘波翔教授表示：“我们的研究建立了大规模单细胞剪接调控分析的路线图，并提供了开发剪接修饰疗法的见解。”这种特定细胞类型的sQTL图谱是人类遗传学和与剪接相关复杂疾病药物靶点发现的一个里程碑。同时，分析中提供的例子强烈建议在人类遗传学研究中重视血统多样性。
为了进一步开展研究，该团队计划利用单细胞技术调查更多组织，如肌肉和脂肪。正在进行的研究有望在单细胞分辨率下揭示复杂疾病的更详细分子机制。
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