本文介绍了一项由Gavin R. Schnitzler、Helen Kang、Shi Fang等研究人员共同完成的研究，题为《Convergence of Coronary Artery Disease Genes onto Endothelial Cell Programs》。该研究于2024年2月发表在《Nature》期刊上，主要研究机构包括Broad Institute of MIT and Harvard、Stanford University School of Medicine、Mayo Clinic College of Medicine and Science等。

研究背景

冠状动脉疾病（Coronary Artery Disease, CAD）是一种复杂的多基因疾病，全基因组关联研究（GWAS）已识别出300多个与CAD相关的遗传信号。然而，这些信号如何通过特定的细胞类型和分子机制影响疾病风险仍不清楚。内皮细胞（Endothelial Cells, ECs）在动脉粥样硬化的发展中起关键作用，控制胆固醇摄取、平滑肌细胞反应、血液凝固和炎症免疫细胞的招募。尽管一些CAD GWAS信号已被证明通过调节内皮细胞中的关键基因（如NOS3和EDN1）来影响疾病风险，但大多数CAD相关基因如何在内皮细胞中协同作用仍不明确。

研究方法

研究团队开发了一种新的方法，称为“变异到基因到程序”（Variant-to-Gene-to-Program, V2G2P），旨在系统地将GWAS变异与基因和特定的转录程序联系起来。该方法包括以下五个步骤： 1. 选择与疾病相关的细胞类型和模型：研究团队选择了人类主动脉内皮细胞（Telomerase-Immortalized Human Aortic ECs, TeloHAEC）作为模型，因为CAD风险变异在内皮细胞增强子中富集。 2. 构建变异到基因（V2G）的关联图：通过分析内皮细胞增强子中的CAD变异，研究团队使用“活性-接触模型”（Activity-by-Contact Model, ABC）将变异与潜在的目标基因联系起来。 3. 构建基因到程序（G2P）的关联图：使用CRISPR干扰（CRISPRi）结合单细胞RNA测序（Perturb-seq）技术，系统地敲低所有CAD GWAS信号附近的基因，并通过无监督机器学习定义基因“程序”。 4. 识别疾病相关程序：通过统计测试确定与CAD风险变异相关的基因是否在特定程序中富集。 5. 研究疾病相关程序中的基因：研究团队提名了41个可能通过内皮细胞影响CAD风险的基因，并详细研究了其中的两个基因：CCM2和TLNRD1。

主要结果

研究发现，43个CAD GWAS信号汇聚在5个与脑动静脉畸形（Cerebral Cavernous Malformations, CCM）信号通路相关的转录程序中。CCM2和TLNRD1是这些程序的关键调控因子，它们通过调节其他CAD风险基因影响内皮细胞的抗动脉粥样硬化过程。具体来说： - CCM2：已知是CCM复合物的成员，其敲低模拟了层流血液流动的保护性效应。 - TLNRD1：此前未被充分研究的基因，研究发现它是CCM信号通路的新成员，其敲低也表现出与CCM2相似的转录效应。

研究意义

该研究不仅揭示了CAD风险基因如何通过内皮细胞中的特定转录程序汇聚，还发现了CAD与罕见血管疾病（如CCM）之间的共享基因。此外，研究提出了TLNRD1作为CCM信号通路的新成员，并展示了其在CAD中的潜在保护作用。这一发现为理解CAD的遗传机制提供了新的视角，并为未来的治疗策略提供了潜在靶点。

研究亮点

1. 新颖的方法：V2G2P方法结合了表观基因组数据和Perturb-seq技术，能够系统地将GWAS变异与基因和转录程序联系起来。
2. 重要的发现：研究发现了43个CAD GWAS信号汇聚在CCM信号通路中，并揭示了TLNRD1作为该通路的新成员。
3. 潜在的应用价值：研究结果为CAD的遗传机制提供了新的见解，并为开发针对内皮细胞的治疗策略提供了潜在靶点。

结论

该研究通过开发和应用V2G2P方法，揭示了CAD风险基因如何通过内皮细胞中的特定转录程序汇聚，并发现了TLNRD1作为CCM信号通路的新成员。这一发现不仅加深了我们对CAD遗传机制的理解，还为未来的治疗策略提供了新的方向。