新一代测序助力神经生物学研究

了解大脑以及它在行为和疾病中的作用，这种探索可不是个小任务。在过去的十年中，杜克大学Nicholas Katsanis所在的实验室已经表明，遗传学和基因组学方法对于我们了解神经生物学非常有帮助。他在2015神经科学大会上组织了一个短期课程，以帮助研究人员更好地了解基因组学的应用。

首先发言的是Shamil Sunyaev，他是哈佛大学医学院附属的布莱根妇女医院遗传学分部的一名计算基因组学研究人员。他通过一个关于简单和复杂表型的讨论来开始他题为“神经发育和神经退行性疾病基因组注释的计算方法”的演讲，，并介绍了过去的研究人员是如何在动物模型和人类中研究疾病状态的遗传的。他指出，技术的进步，特别是新一代测序（Next-Generation Sequencing, NGS）技术，让研究人员终于能确定多态性标记，定位这些标记，同时确定致病突变。Sunyaev认为，新发现是很重要的，但仍有许多未知的东西，应通过支持研究来加强探索。

接着走上演讲台的是Benjamin Neale，他是Broad研究院一名侧重于心理生物学的遗传学研究人员。Neale演讲的题目是“充分利用精神疾病的基因组数据”，一开始就强调了群体统计数据的不断变化。他指出，对于精神分裂症或自闭症（或与此有关的任何复杂性状）这样的疾病，原因不可能只有一个。孟德尔遗传学可能很有吸引力，但它并不适合我们想要研究的大多数东西。他认为，“这就像身高，没有一个基因是对应5英尺10英寸的。你的身高并非受到单个遗传影响，而是多个，它们合在一起，形成了人群的正态分布。遗传可能性是一种计算，并非个体– 如果存在遗传影响，以及基因作用的生物学过程，它会带来我们在群体中所看到的变化。”

若要在研究中采取不偏不倚的态度，探索疾病的遗传因素是一种方式。这些研究有助于确定新的线索，以便更好地了解精神疾病背后的生物学机理。他探讨了精神分裂症的遗传研究，从早期的全基因组关联研究到如今利用NGS技术的更的探索。研究联盟对于深入了解这种疾病是十分有价值的;通过增加样本量，研究人员已经发现了一些新线索。Neale博士提醒大家，目前仍有数千个影响尚未确定，而每个影响都是相当小的。 “以高通量的方式分析遗传变异，这很了不起，但我们需要研究生物学，弄清楚这里到底发生了什么，”他说。“通过这些研究，我们将发现新的神经生物学。我们需要分析并拷问这些新线索，才能真正了解发生的事情。”

出于此，Neale博士表示十分看好千人基因组计划（1000 Genomes Project），他希望由此开启不同的模式和方法，以查看新出现的de novo突变。

短期课程的第三位演讲者是哈佛大学医学院的遗传学家Steven McCarroll。在这个题为“MHC在精神分裂症中的作用”的演讲中，他介绍了一种称为Drop-Seq的技术，可研究如大脑这样复杂组织中的不同类型细胞之间的遗传改变。Drop-Seq的*终结果是来自于不同细胞类型的RNA文库，他的实验室已通过视网膜研究对此进行验证。

利用Drop-Seq，McCarroll博士及其实验室揭示了有关精神分裂症的新的生物学观点。C4补体基因中的一个SNP已知与这种疾病相关联，但它并没有与已知的任何变异相对应。他及其合作者利用分子分析来检测不同的C4基因型，发现了这个家族中有四种常见的变异，然后测定了其在死后大脑样本中的表达情况。他们发现，C4A变异对应的精神分裂症风险明显提高。进一步的研究表明，这个蛋白是补体级联中的一部分，用于标记细胞和碎片以便清除。此证据表明，这个变异可能导致在“突触修剪”的关键时期蛋白质行为发生改变，导致疾病的发生。

“当然，这只是其中一个故事。不过我希望它能鼓励人们，即使是那些复杂、多基因的疾病，这些技术也能为“（疾病过程）实际可能发生的事情”引入新的假说，”他说。“并提供新的治疗可能性。”

加利福尼亚大学圣地亚哥分校基因组医学研究所的Albert La Spada分享了他自己的例子，细致的遗传变异机理研究如何引申出新的疗法。他在亨廷顿氏病上的研究将一种潜在疗法引入临床试验。这种KD3010药物经FDA批准可用于糖尿病和代谢疾病，可能有助于阻止病情恶化。La Spada博士强调了他的工作并没有完成，并强调了细致的表型分析是阻碍基因组学在大脑疾病领域上获得成功的一个巨大障碍。

“如果你正在研究一个疾病过程，你真的需要着手去完成一名系统生物学家的任务。这将需要应用多种方法才能向前推进，”La Spada博士谈道。“其次，无论你是否意识到，遗传学将伴随你的每一步，让你定义一种疾病，重新定义它，然后解析它，这样你才有望开发出一种疗法。”

Alison Goate是西奈山伊坎医学院的一名遗传学研究人员。她随后上台探讨了有关阿尔茨海默病的遗传学研究工作。与她之前的同事一样，她倡导一种系统方法，并指出这些方法已经在阿尔茨海默病领域取得了*佳的效果。到目前为止，遗传学研究支持β-淀粉样蛋白的假说，即这种疾病的可怕症状是由大脑中累积的β-淀粉样蛋白斑块引起的。不过新的研究表明，可能有不同类型的过程，不同类型的细胞，它们出了差错，导致斑块形成。新研究正在发现淀粉样前体基因和早老素1以外的基因，包括SPI1和TREM2。Goate认为，这其中一些基因*令人感兴趣的是，它们可能不是阿尔茨海默病特异的。

“我们在深入了解时发现，这些基因可能从总体上影响了神经退行性疾病的风险– 它们与肌萎缩侧索硬化症（ALS）、额颞痴呆症和帕金森氏症相关联，”她说。“因此，我们了解到的是，它们的作用可能并不是专门清除β-淀粉样蛋白，或许还与清除碎片有关。”

Goate也为美国国家衰老研究所的阿尔茨海默病测序计划点赞。这个计划有望鉴定出与疾病相关的新基因，这包括潜在的致病基因，也可能是保护基因。“我们可以从保护因子上了解很多，”她说。“如果我们发现这些基因是保护性的，那么我们在设计药物时就可以模拟这种保护作用。”

Nicholas Katsanis用一场有关神经精神疾病中的拷贝数变异的演讲作为这一天的结束。他提醒说，真正的遗传外显率有点像“独角兽”，而研究人员可能不知道如何测定它是否真的存在。他希望研究人员能花更多时间来研究保护性的等位基因，并强调需要再上一层，这样我们才能利用遗传发现来帮助治疗疾病。遗传学家和神经学家需要共同努力，以便真正了解不同等位基因对疾病表型的影响。“医学上的重测序是不够的。我们需要进行功能评估，”Katsanis博士指出。“这里可没有什么好人和坏人。等位基因以依赖相互作用的方式发挥它们的影响。因此，我们必须想办法弄明白这一切。