三代重测序助力阿尔兹海默症研究

2019年3月在Acta Neuropathologica杂志（IF=15.87）发表了一篇Loss of DPP6 in neurodegenerative dementia: a genetic player in the dysfunction of neuronal excitability 文章。简单一句话介绍就是，作者采用二代和三代Nanopore重测序数据找到了DPP6上的4M大小的倒位，并采用二代测序数据大队列研究DPP6基因的变异对阿尔兹海默症的影响。

摘要

新出现的证据表明，神经退行性脑疾病(NBD)中存在一种汇聚机制，早期神经网络功能障碍和神经稳态的改变，这些都是神经退行性疾病的罪魁祸首。本研究中，作者采用二代测序和三代长read全基因组测序来研究常染色体显性遗传史的痴呆家族显著关联的7q36。他们识别并验证了4Mb的倒位在疾病单倍型中分离，并扰乱了DPP6基因的编码序列。在早发性阿尔兹海默症和额颞叶痴呆中，利用DPP6基因的重测序技术识别了更多罕见的非同义突变，移码突变和无义突变。

DPP6是一个II型跨膜蛋白，有着高度结构的细胞外的结构域，并且主要在脑中表达。DPP6与钾通道K_v4.2形成多聚体复合物，调节脑中电压依赖性门控特性。K_v4.2在大脑中的表达在神经元兴奋性中起关键作用。体外模拟发现患者的无义突变会改变DPP6，并降低薄膜表达进而导致蛋白的缺失。在无义突变携带者上可以检测到DPP6和K_v4.2表达降低。同时DPP6的缺失会导致神经过度兴奋，敲除Dpp6的小鼠的行为会发生改变。总而言之，DPP6作为痴呆研究中的新基因，能够加强神经过度兴奋，并能改变神经细胞启动的内稳态。

测序方法

二代重测序：4个1270患病家族中第三代的子女；

三代重测序：上述4个样品中的patient III-48以及10名无关痴呆患者和对照组样品，采用牛津纳米孔公司（Oxford Nanopore Technologies，简称ONT）的高通量测序平台PromethION测序仪进行长read基因组测序，首先用Megaruptor 将DNA被打断成35Kb，并采用BluePippin 选择最短6kb的片段进行文库制备和测序；

DPP6基因重测序：对558个早发性阿尔兹海默症患者（EOAD，平均发病年龄61.6±6.8）和614个额颞叶痴呆患者（FTD，平均发病年龄66.1±9.9），采用Illumina公司 Miseq测序仪对DPP6基因完整的编码区域重测序。

分析结果

1270家族的二代测序结果

先前对1270家族的7q36的遗传分析识别了五个不同基因（ABCF2, GALNT11, DPP6, PAXIP1, EN2 ）的七个变异，且在1270家族的疾病单倍型中是分离的。大多数这些变异是同义突变，并且只有PAXIP1 p.A660变异在对照个体中是缺失的。目前公开的基因数据（如ExAc）显示，PAXIP1存在不同的核苷酸变化，导致同样的沉默突变（p.A660），这使得PAXIP1不太可能具有有害影响。此外，我们没有发现PAXIP1在患者淋巴母细胞中异常剪接的证据。

对1270家族的第三代4个患病的兄弟姐妹（III-12，III-38，III-41，III-48）进行WGS测序。选择4个患者共有的注释的高质量的遗传变异，罕见的（千人基因组计划中<1%）或者杂合的非编码变异进行后续研究。在STR标记D7S636和D7S559上连锁区域的位点保留了79个非编码的变异。验证和分离分析保留了38个非编码变异，这些变异在1270家族的疾病单倍型中共分离。对照个体中的变异的基因型显示4个变异对于1270家族是唯一的。其中3个变异均位于DPP6基因的1号内含子上，另一个变异位于基因间区（距SHH基因最近，27.3Kb）距离DPP6基因下游908kb。而这四个变异在ENCODE注释都不具有潜在的高度破坏性。

注：共分离是指在有性繁殖的后代，假如基因附近有一紧密连锁的分子标记，在细胞减数分裂时分子标记与基因之间由于相距太近很少有机会发生交换，那么这种分子标记与连锁的基因有最大的可能同时出现在同一个个体中。

为了排除是连锁区域外的编码变异引起的疾病，作者提取了WGS数据的外显子，并且分析了罕见的及新的编码非同义变异。选择四个患者共有的杂合变异（UTRs，同义和非同义）。只验证了出现在已知的蛋白编码基因的罕见或者新的变异。这个选择产生了9个非同义突变，如下表，但却在1270家族中没有与疾病共分离。

连锁7q36区域存在4Mb的反转破坏了DPP6序列

作者设计引物扩增连锁区域去证实这些变异，结果发现PCR产物在两个7号染色体的位点比对到了相反的方向，且距离将近4Mb。7号染色体上的局部比对，证实了反向杂合低拷贝重复的出现。远端的断点位于7q36.2连锁区域上，DPP6基因的1号内含子上，被预测改变了基因的编码序列；临近的倒位断点位于连锁区域之外。

作者对III-48号样品进行三代测序去验证前面推测的结果。作者采用PromethION测序对III-48号患者进行测序，约6X覆盖度，得到21.2G数据。在七号染色体的149,704,610–153,786,893区域发现了倒位。而这个7q36.2倒位（在DPP6基因的1号内含子上存在断点），却没有在先前的209个无关个体的二代WGS数据中被发现。同时用三代ONT平台产生的10个痴呆患者和对照患者也都没有出现这个倒位。

DPP6上的罕见变异与神经退行性痴呆相关

为了更好的理解DPP6对于退行性痴呆(NBD)的遗传贡献，作者对558个早发性阿尔兹海默症（EOAD）和614个额颞叶痴呆患者（FTD）的DPP6编码外显子进行测序并识别罕见的蛋白改变的变异。在2个FTD患者中识别到两个终止密码子突变（PTC），p.E79Gfs*9 和p.Q23O* ，且在755个对照组中是缺失的。此外，在阿尔兹海默症（AD），FTD及对照组的1号外显子上识别到了22个错义变异以及大小变化的Gly插入/缺失。最后发现DPP6基因上罕见变异与AD、FTD显著的关联。

罕见变异改变患者脑组织中DPP6表达水平

只有3个携带DPP6无义突变的患者的解剖大脑被冻存。这三个患者的神经病理学诊断分别是阿尔兹海默症AD，FTLD-TDP typeD（FTD行为变异和佩吉特氏骨病），FTLD-ALS type B（FTD行为变异及球类型）。结果发现三个DPP6变异(p.P509R, p.R47L, and p.D596N) 的mRNA表达水平显著下调，并且发现p.P509R和p.R47L 携带者的DPP6蛋白表达水平也显著下降。

 

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