来自死亡个体的样本 帮我们读懂疾病背后的基因密码

人们经常把人类基因组序列（30亿对碱基）比喻成一部60亿字的天书，人类基因组计划的测序，只是把天书变成“明文”，人类却仍旧看不懂这些文字所表达的意思。

一个名叫“基因型—组织表达”（以下简称GTEx）的大型研究项目试图寻找答案——即找到序列与实际性状（疾病）的关系，确定不同基因究竟如何影响表达。GTEx计划是现有规模最大的人类器官转录组研究计划。这项研究由美国国立卫生研究院（NIH）资助，包括麻省理工学院、哈佛大学、芝加哥大学等美国多个知名研究机构的研究人员参与研究，通过对不同性别的死者不同组织、不同器官的基因组、转录组、蛋白质组进行分析，试图把基因组测序的结果“直译”出来。

经过10年研究，GTEx计划9月上旬公布最新分析成果，数据以系列论文的形式在《科学》《细胞》等杂志上发表。值得一提的是，GTEx数据被广泛用作设计新方法和工具的参考数据集，由此衍生出大量便于更深入研究的统计学方法。

为生活中的“小烦恼”寻找关联基因

这里有每个人的小忧虑，欢迎“对号入座”——

如果你还没到成为中年油腻男的年纪，或许正在担心：为什么我的发际线在不断升高；

如果你是位压力山大的职场女性，或许正在担心：去年体检的乳腺结节不知道怎么样了，据说乳腺癌患病率很高；

如果你是名新手宝妈，或许正在担心：我家娃超重了！除了母乳什么也没吃，为什么胖得连脖子都看不到了；

……

在GTEx计划公布的研究结果中，这些问题都在基因组、转录组和蛋白质组的分析中找到了答案。

这些答案来自海量数据的测序、汇总、分析……依托了大量的创新分析方法。研究者将所有的研究数据汇总形成GTEx数据集，目前已经更新至第八版，其中包括来自838个供体、52个组织、两个细胞系的17382份样品的数据。

研究者们对这些样品进行全基因组序列的测序分析，转录组表达量的分析，以及相互之间作用关联的分析，以鉴定出哪些基因与哪些性状有密切关联。

这次研究首次发现，一个被命名为C9orf66的基因，与脱发有关，这个基因在男性中的表达量远高于女性；CCDC88C基因在女性中表达水平较高，它是一种与乳腺癌发病有关的基因；而新手宝妈最关心的婴儿体重，可能与婴儿本身无关，却是和宝妈体内的HKDC1基因密切相关，该基因具有孕期血糖调节功能，它的表达影响女性生育的后代体重。

当然还有很多与现实生活密切相关的发现，例如一些基因的高表达会促进癌基因的表达；女性比男性长寿的关联基因等，在最新的研究成果中，人们可以对早有迹象的生命活动在人类基因组的浩瀚长图中“按图索骥”，给出功能“注脚”。

鉴定出与疾病相关的罕见基因突变

关注并研究人类彼此间不同的0.1%基因，其实由来已久。学界通常将其命名为全基因组关联研究（GWAS），顾名思义，是为了寻找基因与功能之间的关联。

0.1%的不同基因序列，意味着在整个基因组30亿个碱基对中至少有30万个常见的SNP（单核苷酸多态性，即单碱基的变化）。“GWAS仅研究了常见的SNP位点，这就意味着仍有许多罕见变异尚未鉴定。”有分析认为，比起常见突变，罕见突变的研究需要更精确的测量，换句话说，只有大规模的全基因组分析（至少全外显子测序）才能满足研究的需要。

在此前发布的第一阶段和第二阶段成果中，GTEx计划也将注意力集中在常见突变对转录组的调控。而这次公布的GTEx计划第三阶段成果终于拓展到了罕见突变。

相较其他数据库，GTEx最大的优势就是来自各种器官的基因表达。但是由于都是从意外死亡的个体获得的样本，除了性别、年龄等基本信息，GTEx并没有个体非常详尽的性状信息。这次通过与之前做过罕见突变研究的英国生物样本库（UK Biobank）合作，鉴定出许多对基因表达有巨大影响的罕见突变，并找到相对应的关联性状（疾病）。这大大提升了GTEx自身研究的意义。

GTEx系列研究论文《通过跨器官的转录组信号，鉴定出有功能的罕见突变》中的研究结果表明，人类基因组包含的罕见突变会增加某些疾病风险，研究通过对838个全基因组数据，及多种器官的转录组数据的分析，检测出了与极端基因表达量有关的罕见突变。研究者整合了来自49个器官的三种极端表达信号，最终首次鉴定出了具有高影响的罕见突变，并且和疾病做了关联。

研究同时给出鉴定罕见突变的方法，可用于对个人基因组的解释和罕见突变的发现，为研究罕见突变的基因功能、提高疾病检测能力提供了有力手段。

试图揭示不同器官中端粒长短规律

端粒是染色体的末端。由于端粒的长度反映细胞复制史及复制潜能，它被称作细胞寿命的“有丝分裂钟”。

端粒长短的变化被认为是人体走向衰老走近死亡的“钟摆声”。

迄今为止，端粒长度的差异还从没被精确测量，尤其在人类不同器官中，端粒长短的规律是什么，还摸不着头绪。

GTEx计划首次进行了系统的测量。更重要的是，研究者找到一种“标尺”——由于血细胞中端粒最短，其端粒长度能够作为其他器官端粒长度的参考。

系列论文之一的《人类组织中端粒长度的决定性因素》表明，研究者测量了952例捐献者的25种以上组织中的相对端粒长度。使用多因子定量分析技术（也叫Luminex分析法）对639个独特组织样本的端粒长度进行了测量，生成了最大的可共享数据集。

测量之后，研究团队将数据与GTEx供体特征、遗传变异和组织特异性表达的数据相结合，使用模型分析，希望寻找端粒长短的变化究竟与哪些因素相关。最终发现，组织类型、供体年龄影响最大，而吸烟与否竟然也会对端粒长度有微调。

在检测的不同组织中，端粒长度在血液中检测的最短，在睾丸组织中测出的最长。在大多数组织中，端粒长度与年龄呈负相关，年龄越大端粒越短。研究还表明，基于祖先的端粒长度差异存在于生殖细胞中，并传递给受精卵。

作为人类基因组计划的“续篇”，GTEx计划不负众望，揭示了很多重要谜团，积攒了更多数据，也开发了更有效的方法。

重大生命科学计划的间接影响力是巨大的，例如人类基因组计划大大推动了测序效率，使得全基因组测序速度一快再快，成本一降再降。

GTEx计划的突破，其实更像为生命之谜这块“硬骨头”切开一个个口子，更大、更深的重要探索将吸引更多目光和研究的聚集，为人类“揭秘自我”积攒更多人气和经验值。

也难怪有研究者预测，随着GTEx项目继续深入开展，评价基因调控效应在疾病变化和不同环境中的差异将会获得依据，有助于推动精准医学研究计划目标的实现。（记者 张佳星）