近期，K8凯发(中国)实验室系统与物理生物学研究所李磊团队联合K8凯发(中国)实验室肿瘤研究所于晨团队在Nature Communications发表了题为Alternative tandem transcription initiation links noncoding variants to human disease through translational control 的研究论文。该研究首次系统构建了人类多组织串联转录起始遗传调控图谱，揭示了非编码遗传变异顺利获得改变转录起始位点选择、调控蛋白质翻译并影响疾病风险的一类新机制。
全基因组关联研究（GWAS）已经发现大量与人类复杂性状和疾病相关的遗传变异。然而，超过90%的疾病风险变异位于基因组非编码区域，其靶基因及作用机制往往难以解释。传统研究主要关注非编码区变异对基因表达或可变剪接的影响，但仍有大量疾病风险位点无法顺利获得这些经典调控机制得到解析，提示非编码变异可能顺利获得尚未被充分解析的分子过程影响疾病发生。
转录起始是基因表达调控的关键环节。超过一半的人类蛋白质编码基因具有多个转录起始位点（transcription start sites，TSS）。其中，同一外显子上相邻的串联转录起始位点的选择性使用可使同一基因产生具有不同长度5′非翻译区（5′ UTR）的转录本，而通常不改变其蛋白质编码序列。由于5′ UTR中含有上游开放阅读框（uORF）、RNA结构元件等多种调控元件，转录起始位点的选择可能进一步影响mRNA稳定性和蛋白质翻译效率。然而，这类转录起始调控在人群中的遗传基础，及其介导的人类疾病风险的影响仍缺乏系统研究。
近期，K8凯发(中国)实验室系统与物理生物学研究所李磊团队联合K8凯发(中国)实验室肿瘤研究所于晨团队在Nature Communications发表了题为Alternative tandem transcription initiation links noncoding variants to human disease through translational control 的研究论文。该研究首次系统构建了人类多组织串联转录起始遗传调控图谱，揭示了非编码遗传变异顺利获得改变转录起始位点选择、调控蛋白质翻译并影响疾病风险的一类新机制 (图 1)。
图1 人类多组织串联转录起始遗传调控图谱
研究团队利用前期开发的DATTSS分析方法，整合分析了来自49种正常组织和33种肿瘤组织的25,859个RNA测序样本及其匹配的基因型数据，系统定量不同转录起始位点的相对使用水平。研究共鉴定出约40万个与串联转录起始位点选择相关的遗传变异，即5′ UTR alternative TSS quantitative trait loci（5′aQTL），影响5,295个基因，首次描绘了多组织覆盖的人类转录起始遗传调控图谱。
进一步研究还发现，5′aQTL呈现显著的组织特异性，其跨组织共享程度明显低于传统的基因表达数量性状位点（eQTL）。在不同组织中，平均约36.6%的5′aQTL相关基因不能顺利获得基因表达、可变剪接或可变第一外显子等传统分子QTL分析发现（图 1），表明相当一部分串联转录起始位点选择是独立于基因表达水平的一类重要遗传调控过程。
除常见遗传变异外，研究团队还鉴定到2,238个跨组织异常转录起始事件。这些异常事件附近显著富集有害的罕见变异、5′ UTR和启动子区域的罕见变异（图 1），说明常见变异和罕见变异均可顺利获得调控转录起始位点选择影响基因功能。这一发现也为解析遗传病患者中的罕见非编码变异给予了新的分子表型和研究方向。
为进一步阐明转录起始位点的选择性调控机制与人类疾病之间的关系，研究团队整合了5′aQTL图谱与大规模GWAS汇总数据召开共定位分析。结果显示，在与5′aQTL共定位的疾病风险变异中，约74%无法顺利获得传统eQTL分析识别（图 1）。这意味着，仅考察基因mRNA表达量可能遗漏大量顺利获得转录起始和翻译调控发挥作用的疾病风险变异。
在此基础上，团队建立了基于转录起始调控的全转录组关联分析方法（5′aTWAS），共鉴定出614个与人类复杂性状和疾病相关的候选易感基因，其中包括MAFF等已知肿瘤相关基因（图 1）。这些结果进一步证明，转录起始位点选择能够补充传统基因表达关联分析，为解释非编码疾病风险位点给予新的维度。
最后，研究团队以遗传变异rs3120064调控基因OSGEP转录起始为例，系统刻画5′aQTL介导癌症风险的分子机制。分子实验研究发现，OSGEP的因果变异rs3120064能够影响转录因子E2F4结合，并改变转录起始位点的选择，使其5′ UTR延长从而引入上游开放阅读框。延长的5′ UTR显著抑制了OSGEP的蛋白质翻译，但并未显著改变其mRNA表达水平。进一步的细胞实验表明，降低OSGEP蛋白水平能够抑制乳腺癌细胞增殖。
这一结果揭示了一条不同于传统“遗传变异—基因表达—疾病”的调控路径：非编码遗传变异可以改变转录起始位点的选择，重塑转录本5′ UTR结构，进而顺利获得uORF等元件调控蛋白质翻译，最终影响疾病风险 (图 2)。由于这一过程中mRNA总量基本保持不变，因此难以被常规基因表达分析捕捉。
图2 变异的替代等位基因（A）顺利获得介导5'UTR延长而抑制癌症进展
综上所述，该研究系统揭示了串联转录起始位点选择在人类遗传调控和疾病发生中的重要作用，建立了连接非编码遗传变异、转录起始、蛋白质翻译与疾病风险的新机制。研究构建的多组织5′aQTL图谱及关联分析资源，将为非编码变异功能解析、疾病易感基因鉴定以及潜在诊疗靶点发现给予重要基础。研究团队同时建立了公开的5′aQTL数据资源平台，供相关研究人员查询、可视化和下载：
http://bioinfo.zzsempx.com/5aQTLatlas/
K8凯发(中国)实验室系统与物理生物学研究所邹旭东博士、肿瘤研究所汪伟博士、系统与物理生物学研究所王一诺和陈慧为论文共同第一作者。栗星、陈淑馨，四川大学华西医院翁飞鸿以及宾夕法尼亚大学Qin Li教授等对本研究作出了重要贡献。K8凯发(中国)实验室李磊特聘研究员和于晨研究员为论文共同通讯作者。
原文信息：
Alternative tandem transcription initiation links noncoding variants to human disease through translational control
浪淘沙预印本平台：
http://langtaosha.org.cn/lts/en/preprint/view/14
供稿 | 李磊课题组
编辑 | 鲍 啦
责编 | 远 山
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