资料来源：宾夕法尼亚大学医学院

摘要：人身体中的每个细胞都有两个基因组，一个来自母亲，另一个来自父亲。直到现在，研究人员还是缺乏检查——在单个细胞中——每个基因组中的精确读出的工具来制造RNA。使用一项新的仅能让研究者们做到这一点的技术，一个跨学科的团队检查了一种罕见的疾病，在这种疾病中，这两个基因组在全身中的表达是不同的，甚至有时在同一个器官中也不一样。

人身体中的每个细胞都有两个基因组，一个来自母亲，另一个来自父亲。直到现在，研究人员还是缺乏检查——在单个细胞中——每个基因组中的精确读出的工具来制造RNA。使用一项新的仅能让研究者们做到这一点的技术，一个跨学科的宾夕法尼亚大学的研究团队检查了一种罕见疾病，在这种疾病中，这两个基因组在全身中的表达是不同的，甚至有时在同一个器官中也不一样。他们发现，在单个细胞的水平上，基因表达是高度可变的，而且与我们预想的非常不一样，而这就阐明了一些罕见疾病分子原因，也许还包括肿瘤的复杂本性。

“这是跨学校合作的一个很好的例子，”合作资深作者Marisa Bartolomei博士说，它是佩雷尔曼医学院细胞与发育生物学的教授。她的同事分别是合作共同第一作者Jennifer M. Kalish博士，医学博士，费城儿童医院罕见生长疾病方面的专家，共同第一作者Paul Ginart，医学博士/博士候选人，以及共同第一作者Arjun Raj博士，Paul Ginart和Arjun Raj均来自宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院，她们设计了在单个细胞中呈现单个基因的技术。该团队在《基因与发展》杂志上发表了他们的研究成果。

“有了这项新技术，我们现在可以看到哪些细胞表达了哪些基因组。”Bartolomei说。

基因的沉默

对于大多数基因而言，人类继承两个复本，一份母亲的，一份父亲的。但是，在一种称为压印现象的情况下，后代只继承一个有用的基因复本，并且，依其亲本来源的不同，该基因的表达受控于一个在卵子或精子的形成过程中加入的甲基，以使DNA在物理结构上变得紧致，这样，它就不会被读取以形成RNA，并最终形成蛋白质。

有少数基因被加印，但它们也对正常的发展至关重要。被加印的基因通常要么来自母系染色体，要么来自父系染色体，但不会而这兼有。在人类印记疾病中，加印基因要么异常地同时开启母系和父系基因组，要么同时异常关闭两个基因组。异常表达可能会链接到基因突变和甲基位置上的错误（表观遗传学的机能）

在同一个器官中，基因表达所在的细胞与细胞间的可见性可能有助于解释为什么许多疾病表现出一种“马赛克”模式，身体的不同部分表现出不同程度的疾病。这种大杂烩能够发生是因为印记方面的问题。

加印缺陷可能会导致基因的正常沉默版本的不适当的表达，但是，在一个特定器官中是否每一个细胞都表现出异常版本，这尚不清楚。“如果是这样的话，那就会对人类印记疾病产生深远的影响。”Kalish说。

罕见的帮助

印记疾病是很罕见的。Kalish的工作主要针对两种：Russell-Silver综合征（原始侏儒症），一种在新生儿中发病率大约为五万分之一到十万分之一之间的生长型疾病，症状是身材和四肢矮小，肢体或面部不对症。该综合症包括两个基因的甲基化不足：H19和IGF2。H19编码一种限制生长的非编码RNA，而IGF2是一种生长因子。在一半的案例中，原始侏儒症都与染色体11上的印记疾病有关，在这个染色体中，个体接收了两个来自母亲的印记标记复本，而不是一个来自母亲，一个来自父亲。患有原始侏儒症的儿童有太多的拒绝生长的信号（H19），又有太少的生长信号（IGF2）。另一个印记疾病是Beckwith-Wiedemann综合征（贝威二氏综合征），这是一种通常在出生时显现的过度生长疾病，其特征是患儿童癌症的风险增加，以及一些先天的特征，如大舌、较重的出生体重，以及肢体、身体、器官和面部不对称。

这些综合征显示了一系列的症状，之所以会这样，是因为某些特定器官的细胞表达了母系的基因，而另一些则表达了父系的基因。“但是母亲的基因是限制细胞生长的基因，”Kalish说，“这意味着马赛克模式是正常细胞和异常细胞的一种真正的混合——在同一个组织中，母亲拒绝生长的信号和父亲的生长信号之间的平衡被打乱了。这就解释了同一个人身上为什么会出现过大或过小的器官。”有一些情况下，患者甚至可能具有不同尺寸的成对肾脏。

利用老鼠，该团队对比了正常小鼠和患原始侏儒症的小鼠身上的基因组。在细胞群的层次上，他们询问了哪个单个细胞有正确的母系印记，哪个细胞有异常的H19基因的母系印记。在患原始侏儒症的小鼠上，母系和父系H19都被表达出来了。

使用Raj的新技术，他们开发了一种分子探针来检测母亲和父亲基因组中表达的RNA中单个核苷酸的变化，以显示哪个是一个细胞一个细胞地表达的。这种方法测量了单个细胞中基因变体的特异性表达。在患原始侏儒症的小鼠模型中，他们发现，有些细胞中有来自母系和父系两个版本的RNA（异常版本，正如在原始侏儒症患者身上看到的），而其他细胞则只有母系RNA。

“我们发现，突变小鼠的胚肺成纤维细胞还有两个亚群：一种是同时表达母系和父系H19版本【异常】的亚群，另一种是只表达母系复本【正常】的亚群，”Bartolomei 说，“只有在后面一种情况下，正常的细胞群才是被检测的IGF2表达。”

在患原始侏儒症的小鼠中，所有的细胞都有相同的遗传变化，并并不是所有细胞都有同样的DNA甲基化模式，这就解释了实验胚胎学中基因表达的镶嵌结构——在卵子或精子形成过程中，增加的甲基带来的基因版本的正常沉默。

这两个细胞的突变亚群在它们各自基因组的加印控制区域表现出了完全不同的甲基化模式。只表达来自母系基因组的H19的细胞有着正确的DNA甲基模式，而同时表达来自母系和父系基因组的H19的细胞则表现出H19 DNA甲基化的缺失。重要的是，他们还观察到，相同的两个亚群也存在于小鼠心脏组织中，表现出与整个活的小鼠相同的缺陷。

“这是第一次在单个细胞水平证明表观遗传学的镶嵌性，”Bartolomei说。“这意味着表观遗传学——平衡DNA的紧致与宽松以控制何时表达哪个基因——是细胞群层次镶嵌性的驱动者。我们的研究结果证明，印记疾病可以显示出惊人的单细胞异质性，并表明这种异质性可能是人类印迹疾病中表观遗传学镶嵌性的基础。”Bartolomei说。

“这项工作中所显示的表观遗传学的镶嵌性解释了我们在患者身上看到的临床特点的频谱——这一切都是有道理的，”Kalish说，“现在我们知道是怎么回事了。”