科学家已发现约150个隐藏在星形胶质细胞（大脑支持细胞）中的DNA"开关"，这些开关调控与阿尔茨海默病相关的基因。新南威尔士大学（UNSW Sydney）研究人员在筛选众多候选区域后构建的AstroREG资源库，描绘了非编码DNA如何调控星形胶质细胞中的基因活性。
隐性DNA开关
这项研究是在Irina Voineagu教授的实验室进行的，她研究脑细胞中的基因控制如何与自闭症和阿尔茨海默病相关联。这一背景很重要，因为该资源库不仅关注基因本身，还深入研究调控基因的DNA。我们细胞中的大部分DNA位于基因之外，但它有助于决定哪些基因是活跃的。科学家称之为非编码基因组，即指导基因使用但不直接产生蛋白质的DNA。在人类中，约2%的DNA包含基因，而大多数遗传风险隐藏在其余98%中。
星形胶质细胞如何影响大脑健康
星形胶质细胞是大脑的支持细胞，为神经元提供营养并稳定脑化学环境，是AstroREG资源库的重点研究对象。这些细胞清除多余的神经递质并调节炎症，因此它们基因的变化可能影响附近的神经元。阿尔茨海默病通常表现出早期炎症信号，这使得星形胶质细胞的基因控制成为重要的研究切入点。
DNA开关影响阿尔茨海默病
许多被称为增强子的基因开关，即远距离增强基因活性的DNA片段，位于其目标基因的远处。单个增强子可以通过帮助蛋白质与DNA结合来影响基因输出，从而增加基因被读取的频率。由于这些开关可能位于距离基因数十万个DNA碱基对的位置，研究人员常常难以将它们与特定基因匹配起来。
如何使DNA开关沉默
基于CRISPR的沉默技术CRISPRi能够在不切割DNA的情况下阻断DNA，使研究团队能够在活细胞内测试这些开关。该系统使用一种失活的CRISPR蛋白停靠在增强子上，从而抑制附近的转录。这种方法使研究人员能够在不切割DNA的情况下减弱开关功能，使细胞避免触发改变表达的损伤信号。
测量基因活性
单细胞RNA测序技术可以读取单个细胞中的RNA，显示了哪些基因对每个被沉默的开关作出反应。研究团队不是对培养皿中的细胞进行平均化分析，而是跟踪每个星形胶质细胞在处理后的基因表达变化。这一细节很重要，因为即使源自同一条供体细胞系，脑细胞培养物中仍存在差异。
与阿尔茨海默病相关的开关
筛选从近1,000个候选增强子开始，这些增强子选自人类星形胶质细胞中开放的区域。经过CRISPRi沉默后，只有一小部分改变了附近基因表达，足以被认定为功能性增强子。这一过滤步骤通过剔除许多看似诱人但无活性的区域，缩小了阿尔茨海默病遗传学的研究范围。
将开关与基因关联
每个功能性增强子都通过改变同一DNA区域中一个或多个基因的RNA水平而获得其位置。该方法将具有沉默增强子的细胞与未经处理的细胞进行比较，揭示了哪些目标基因失去了活性。有些增强子会跳过较近的基因，因此该资源库提醒人们不要假设最近的基因就是正确的目标。
星形胶质细胞中的阿尔茨海默病信号
资源库中的许多目标基因在阿尔茨海默病脑组织中处于失调状态，在疾病中被推至过高或过低水平。这种联系表明，一些风险来自于调控异常，而非基因损伤，因为开关中的微小变化可以通过基因网络传播。通过专注于星形胶质细胞，这项研究突显了一种即使在神经元看似完好的情况下也能加剧炎症的细胞类型。
为何遗传调查面临挑战
大型人类研究常常标记出非编码区域中的DNA变异，但很少能确定哪个基因受到影响。一种工具是eQTL（表达数量性状位点），即与许多供体中基因活性相关的变异，但脑样本限制了灵敏度。"我们常常发现变化不是在基因内部，而是在基因之间，"Voineagu教授说。
用实际结果训练模型
该资源库同时作为随机森林的训练数据，随机森林是一种通过多个决策树进行投票的模型。"这个数据集可以帮助计算生物学家测试他们的预测模型在预测增强子功能方面的效果，"Voineagu教授说。即使是最强大的模型也需要实验室验证，因为增强子活性取决于细胞环境，并可能随着发育而变化。
实验室培养细胞的局限性
研究团队使用了保持胎儿特性的培养人类星形胶质细胞，这可能与衰老的脑细胞有所不同。CRISPRi也在不删除DNA的情况下实现沉默，因此微弱或部分抑制可能会掩盖一些真正的增强子效应。未来在其他脑细胞类型和受压星形胶质细胞中进行的筛选，应测试这些开关是否同样重要。总之，这些结果表明，如何通过研究单一细胞类型中的非编码DNA来阐明阿尔茨海默病风险可能起作用的位点。该资源库应指导更精确的实验和更好的预测工具，但仍需在真实的人脑组织中得到证实。这项研究发表在《自然·神经科学》期刊上。
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