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科學家構建藏族人群全基因組水平的適應性遺傳變異圖譜

文章來源:上海營養與健康研究所   發布時間:2019-08-12  【字號:     】  

  8月7日,《國家科學評論》(National Science Review)在线发表了中國科學院上海營養與健康研究所——马普计算生物学研究所徐书华团队的研究成果“Prioritizing natural selection signals from the deep-sequencing genomic data suggests multi-variant adaptation in Tibetan highlanders”。該研究通過分析深度基因組測序數據和藏族表型數據,構建了藏族人群全基因組水平的適應性遺傳變異圖譜,首次系統地將藏族人群基因組中與適應性進化相關的功能性變異呈現出來。

  經過國內外近十年的密集研究,人們對藏族高原適應的遺傳學基礎有了一些初步的認識;其中EPAS1目前領域裏普遍認爲是藏族適應高原的關鍵基因,特別是由于在其他高原物種中也發現EPAS1的適應性進化的迹象,因而備受關注。但是迄今未能確定EPAS1基因中與藏族高原適應的功能性變異。這爲理解人類在青藏高原上的適應性進化機制留下未解難題。由此也引發一些更根本性的關鍵問題:(1)有多少基因和遺傳變異驅動了人類適應青藏高原的演化?(2)EPAS1在人類高原適應性中發揮作用的關鍵因素是否並不在EPAS1本身而是否另有出處?(3)是否還有其他基因比EPAS1對人類適應高原起到更關鍵的作用?

  帶著這些問題,徐書華團隊與中科院昆明動物研究所、溫州醫科大學、複旦大學、西藏民族大學等多家單位的研究人員合作,在全基因組水平對藏族人群的高原適應性變異進行了系統性梳理,充分利用深度基因組測序數據的優勢,構建了藏族人群全基因組尺度上的適應性遺傳變異圖譜,鑒定了有相對明確功能的關鍵遺傳變異,包括63個錯義突變、7個失活性變異、1298個進化保守性變異,以及509個基因表達數量性狀變異;這些分布在基因組範圍的功能性變異不一定都與藏族人群的高原適應直接相關,但是大多數都與藏族人群的適應性演化密切相關。高原適應涉及到一系列複雜性狀——涉及到的基因可能比醫學中研究的一些複雜疾病更爲錯綜繁雜。研究團隊進一步發展了一個新統計量(FIS)對鑒定出的適應性遺傳變異的相對重要性進行加權排序,發現排在首位的並不是通常認爲的EPAS1,而是位于EPAS1下遊的一個跨膜蛋白編碼基因TMEM247;尤其是發現藏族人群基因組中的TMEM247存在一个高频关键错义变异(rs116983452),可能对藏族人群高原适应具有重要贡献和意义。論文新发现的TMEM247基因關鍵突變(rs116983452)導致平原人群中高頻存在的丙氨酸(Ala)(野生型)與青藏高原人群特有的缬氨酸(Val)(突變型)之間的顯著分化,其中94%的藏族人都攜帶突變型,而在世界其他現代人群體中的頻率非常低或者完全缺失,是迄今爲止在青藏高原人群基因組中發現的最高頻的錯義突變。有趣的是,在西伯利亞丹尼索瓦洞穴中發現的距今約5萬年的一個古人基因組也攜帶了這個變異,並且爲純合狀態。該研究通過計算推斷藏族人群中攜帶TMEM247-rs116983452適應性變異的序列可追溯至距今約6萬年前,這意味著這個藏族特異的高頻突變可能繼承自早期進入高原的具有古人類血統的祖先並傳承至今。

  事實上,人類征服青藏高原的曆程悠久而曲折。徐書華團隊之前的研究表明,青藏高原人群的遺傳起源可追溯至距今4-6萬年前的舊石器時代中晚期,早期進入青藏高原的人類族群間發生廣泛的基因交流,並與後期進入青藏高原的族群發生進一步遺傳混合,最終形成了一個包含現代智人和早期智人多個譜系(包括考古學已經發現的阿爾泰尼安德特人和丹尼索瓦人等,以及其他未知古人類)的遺傳構成極其複雜的混合人群。這個過程中,一些曾經幫助人類適應高原環境的古人類基因片段得以保留下來,因高原極端環境的自然選擇作用,在現今高原人群中積累到較高的頻率。TMEM247-rs116983452-T就是一個典型的例子。

  分析表明,TMEM247-rs116983452-T的頻率與人群居住地海拔呈顯著正相關,提示與人類在青藏高原的適應可能有密切關系。進一步結合基因表達與多項生理生化表型及體質人類學特征,對高原藏族人群的適應性遺傳變異進行了系統性評估;發現TMEM247-rs116983452-T與TMEM247EPAS1的表達水平都有密切相關,並可能對藏族人群低氧環境下的血紅蛋白和紅細胞水平等高原適應性性狀産生重要的調控。對于平原人群而言,長期暴露于低氧環境中將誘發紅細胞增生以提高血液攜氧能力,但最終可能過度增生而導致“紅細胞增多症”。相比之下,高原世居藏族人群的紅細胞和血紅蛋白水平保持在相對較低的水平,TMEM247基因的功能突變可能就是産生這種保護性機制的重要遺傳因素之一。通過統計模型分析,研究團隊發現TMEM247-rs116983452對藏族高原適應性表型的解釋度高于EPAS1的變異位點,但二者之間可能存在一定的相互作用,體現了高原適應的複雜性和多基因相互作用效應。該研究提供的這張基因組適應性變異圖譜爲後續進一步全面深入研究藏族適應高原的遺傳基礎和分子機制鎖定了目標,爲揭開人類征服高原極端環境的演化之謎開拓了新的視野。

  该工作由营养与健康所、马普计算生物学所邓恋、张超、苑锴,以及博士研究生高扬(上海科技大學)、潘雨闻等在徐书华的指导下,与中科院昆明动物所、温州医科大学、复旦大学、西藏民族大学等多家单位的研究人员合作完成,得到中科院先導專項、国家自然科学基金委、上海市科委和国家重点研发计划等多项基金的资助。

  論文链接

 

圖:藏族人群適應性變異TMEM247-rs116983452-T的群體遺傳解析和功能統計學分析 




(責任編輯:葉瑞優)

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