2019年8月7日，《國家科學(xué)評論》（National Science Review）在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所——馬普計算生物學(xué)研究所徐書(shū)華研究組的研究成果“Prioritizing natural selection signals from the deep-sequencing genomic data suggests multi-variant adaptation in Tibetan highlanders”。該研究通過(guò)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(jìn)化相關(guān)的功能性變異呈現出來(lái)。
經(jīng)過(guò)國內外近十年的密集研究，人們對藏族高原適應的遺傳學(xué)基礎有了一些初步的認識；其中EPAS1是目前領(lǐng)域里普遍認為是藏族適應高原的關(guān)鍵基因，特別是由于在其他高原物種中也發(fā)現EPAS1的適應性進(jìn)化的跡象，因而備受關(guān)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。這為理解人類(lèi)在青藏高原上的適應性進(jìn)化機制留下未解難題。由此也引發(fā)一些更根本性的關(guān)鍵問(wèn)題：（1）有多少基因和遺傳變異驅動(dòng)了人類(lèi)適應青藏高原的演化？（2）EPAS1在人類(lèi)高原適應性中發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素是否并不在EPAS1本身而是否另有出處？（3）是否還有其他基因比EPAS1對人類(lèi)適應高原起到更關(guān)鍵的作用？
帶著(zhù)這些問(wèn)題，徐書(shū)華研究組與中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、 溫州醫科大學(xué)、復旦大學(xué)、西藏民族大學(xué)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(jìn)行了系統性梳理，充分利用深度基因組測序數據的優(yōu)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(guān)鍵遺傳變異，包括63個(gè)錯義突變、7個(gè)失活性變異、1298個(gè)進(jìn)化保守性變異，以及509個(gè)基因表達數量性狀變異；這些分布在基因組范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(guān)，但是大多數都與藏族人群的適應性演化密切相關(guān)。高原適應涉及到一系列復雜性狀——涉及到的基因可能比醫學(xué)中研究的一些復雜疾病更為錯綜繁雜。研究組進(jìn)一步發(fā)展了一個(gè)新統計量（FIS）對鑒定出的適應性遺傳變異的相對重要性進(jìn)行加權排序，發(fā)現排在首位的并不是通常認為的EPAS1，而是位于EPAS1下游的一個(gè)跨膜蛋白編碼基因TMEM247；尤其是發(fā)現藏族人群基因組中的TMEM247存在一個(gè)高頻關(guān)鍵錯義變異（rs116983452），可能對藏族人群高原適應具有重要貢獻和意義。論文新發(fā)現的TMEM247基因關(guān)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纈氨酸(Val)（突變型）之間的顯著(zhù)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，是迄今為止在青藏高原人群基因組中發(fā)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(fā)現的距今約5萬(wàn)年的一個(gè)古人基因組也攜帶了這個(gè)變異，并且為純合狀態(tài)。該研究通過(guò)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(wàn)年前，這意味著(zhù)這個(gè)藏族特異的高頻突變可能繼承自早期進(jìn)入高原的具有古人類(lèi)血統的祖先并傳承至今。
事實(shí)上，人類(lèi)征服青藏高原的歷程悠久而曲折。徐書(shū)華研究組之前的研究表明，青藏高原人群的遺傳起源可追溯至距今4-6萬(wàn)年前的舊石器時(shí)代中晚期，早期進(jìn)入青藏高原的人類(lèi)族群間發(fā)生廣泛的基因交流，并與后期進(jìn)入青藏高原的族群發(fā)生進(jìn)一步遺傳混合，最終形成了一個(gè)包含現代智人和早期智人多個(gè)譜系（包括考古學(xué)已經(jīng)發(fā)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(lèi)）的遺傳構成極其復雜的混合人群。這個(gè)過(guò)程中，一些曾經(jīng)幫助人類(lèi)適應高原環(huán)境的古人類(lèi)基因片段得以保留下來(lái)，在因高原極端環(huán)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(gè)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(zhù)正相關(guān)，提示與人類(lèi)在青藏高原的適應可能有密切關(guān)系。進(jìn)一步結合基因表達與多項生理生化表型及體質(zhì)人類(lèi)學(xué)特征，對高原藏族人群的適應性遺傳變異進(jìn)行了系統性評估；發(fā)現TMEM247-rs116983452-T與TMEM247及EPAS1的表達水平都有密切相關(guān)，并可能對藏族人群低氧環(huán)境下的血紅蛋白和紅細胞水平等高原適應性性狀產(chǎn)生重要的調控。對于平原人群而言，長(cháng)期暴露于低氧環(huán)境中將誘發(fā)紅細胞增生以提高血液攜氧能力，但最終可能過(guò)度增生而導致“紅細胞增多癥”。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產(chǎn)生這種保護性機制的重要遺傳因素之一。通過(guò)統計模型分析，研究團隊發(fā)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(diǎn)，但二者之間可能存在一定的相互作用，體現了高原適應的復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為后續進(jìn)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、為揭開(kāi)人類(lèi)征服高原極端環(huán)境的演化之謎開(kāi)拓了新的視野。
該工作由中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所、馬普計算生物學(xué)研究所鄧戀、張超、苑鍇，以及博士研究生高揚（上海科技大學(xué)）、潘雨聞等在徐書(shū)華研究員的指導下，與中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、 溫州醫科大學(xué)、復旦大學(xué)、西藏民族大學(xué)等多家單位的研究人員合作完成，得到了中科院先導專(zhuān)項、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等多項基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz108
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(xué)分析
官方微信
