Sentieon | 每周文献-Genetic Disease-第五十一期

遗传病系列文章-1

标题（英文）：Systems Analysis of de novo Mutations in Congenital Heart Diseases Identified a Molecular Network in Hypoplastic Left Heart Syndrome

标题（中文）：先天性心脏病中新发突变的系统分析揭示了左心发育不全综合征的分子网络

发表期刊：bioRxiv

作者单位：斯坦福大学医学院等

发表年份：2022

图1 文献介绍

先天性心脏病（CHD）是一类影响约1%活产婴儿的出生缺陷。这些疾病的特征是极高的遗传异质性，因此，尽管具有强烈的遗传成分，但目前仅识别出极少数CHD的风险位点。

研究组在此引入系统分析方法，揭示CHD基因组突变在生物网络中的隐藏组织，并利用网络分析技术整合人类相互作用组、大规模患者外显子组、胎儿心脏空间转录组和临床样本的单细胞转录组。研究组识别出一个在CHD中高度连接的网络，其中大多数成员蛋白在调节胎儿心脏发育方面的功能此前未被表征。

虽然该网络上的基因显示出对心脏特异性功能的强烈富集，但一个在早期发育阶段特异活跃的亚组也调节胎儿大脑发育，从而为CHD与神经发育疾病之间的临床共病提供了机制洞察。在小规模上，研究组通过细胞实验和基因编辑技术，实验验证了几种新型蛋白先前未被表征的心脏功能。

在该研究中，研究者使用Sentieon软件进行胚系变异检测。

图2 Sentieon的作用

图3 NetWalker在CHD中识别出一个高度连接的网络

A. 小儿心血管基因组学联盟（PCGC）候选基因倾向于占据蛋白质相互作用网络的中心位置。PCGC候选基因（红色）是通过从PCGC CHD队列中受de novo功能缺失（LoF）突变影响的剂量敏感基因识别出来的。同样的程序也从匹配的未受影响的兄弟姐妹队列中识别出受影响的基因（蓝色）。网络连接度表示网络上每个蛋白质的相互作用伙伴数量。作为一个独立的对照实验，研究组还对受de novo同义突变影响的基因进行了相同的比较，这些基因的功能假定是中性的。P值由Wilcoxon秩和检验得出。

B. PCGC候选基因更有可能在网络上保持相互作用。分别在从先证者和兄弟姐妹队列中识别的候选基因和对照基因中计算了相互作用蛋白的比例。受de novo同义突变影响的基因被用作独立的对照实验。P值由Fisher精确检验得出。

C. 蛋白质相互作用网络上随机游走算法的示意图。随机游走方案从网络上的每个节点开始，遵循随机流直到收敛。对于每个蛋白质，将计算访问网络上所有其他蛋白质的概率，这定义了该节点到网络上任何其他节点的可达性。

D. 相对于网络上的所有其他蛋白质，识别出的网络组件对PCGC CHD候选蛋白的可达性显著增加。P值由Wilcoxon秩和检验得出。

图4 CHD网络的功能特征

A. 识别出的网络概览，种子为PCGC候选蛋白（按CHD亚型分组并用颜色编码），橙色节点为通过NetWalker算法识别的新蛋白。亚型注释来自原始出版物10，其中CTD、HTX和LVO分别代表锥干缺陷、异位和左心室流出道阻塞。其他表示与对应蛋白相关的多于一种亚型。

B. 网络基因在心脏发育阶段的时间表达。人类基因映射到小鼠直系同源基因，层次聚类揭示了网络的两个表达组件，其中Group-I（G-I）基因从胚胎干细胞（ESC）到E7.3显示出优先表达，而Group-II（G-II）基因从E7.3到出生后和成年阶段表现出显著的表达富集。对Group-II基因的深入检查进一步揭示了两个子群结构，其中Group-II-A（G-II-A）在胎儿发育阶段优先表达，而Group-II-B（G-II-B）在出生后阶段更为特异，特别是在成年心脏中表现强烈。

在全局尺度上，研究组的研究揭示了所识别CHD网络的发育动态，并观察到该网络中致病突变在左心发育不全综合征（HLHS）中表现出最强的富集。研究组的单细胞转录组分析进一步发现HLHS左心室中心脏内皮细胞和传导系统存在该网络的广泛调控紊乱。

总之，研究组的系统分析识别了CHD中的新因素，揭示了HLHS的关键分子机制，并提供了一个可推广的框架，可直接应用于研究许多其他复杂疾病。

遗传病系列文章-2

标题（英文）：Neurite outgrowth deficits caused by rare PLXNB1 mutation in pediatric bipolar disorder

标题（中文）：罕见PLXNB1基因突变导致的神经突起生长缺陷在儿童双相障碍中的表现

发表期刊：medRxiv

作者单位：犹他大学

发表年份：2022

图1 文献介绍

儿童双相情感障碍（PBD）是一种严重的情绪调节障碍，影响美国0.5-1%的儿童和青少年。该疾病与反复发作的精神病和抑郁症以及自杀风险增加有关。然而，PBD的遗传学和神经病理学在很大程度上仍未知。

在此，研究组使用了一种组合式家族研究方法来表征与PBD相关的细胞、分子、遗传和网络层面的缺陷。研究组从一个有精神疾病家族史的家庭中招募了一名PBD患者和三名未受影响的家庭成员。

使用静息态功能磁共振成像（rs-fMRI），研究组检测到患者与未受影响的兄弟姐妹相比，静息态功能连接发生了改变。通过对患者和对照组诱导多能干细胞（iPSC）衍生的端脑类器官进行转录组分析，研究组发现与神经突生长相关的分子通路存在异常信号传导。

研究组在患者iPSC衍生的皮层神经元中证实了神经突生长缺陷的存在，并在患者中鉴定出一个罕见的PLXNB1基因纯合功能缺失变异（c.1360C>C; p.Ser454Arg）。表达野生型PLXNB1，而非变异型，可以挽救患者神经元中的神经突生长缺陷，而在PlxnB1敲除小鼠的皮层神经元中表达变异型会导致神经突生长缺陷。

在该研究中，研究者使用Sentieon软件进行胚系变异检并进行数据比对。

图2 Sentieon的作用

图3 PBD患者的功能性大脑连接差异

A. 本研究招募的四人组及其扩展家系示意图。一个家庭四人组，包括一名被诊断为PBD的患者和未受影响的母亲、父亲和兄弟姐妹，被招募参与本研究。扩展家族中的性别和兄弟姐妹顺序未披露。实心红色圆圈表示根据父母访谈报告有精神症状或诊断病史的亲属。对患者和未受影响的同性且年龄相近的兄弟姐妹进行了静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)。B. 热图矩阵显示了未受影响的兄弟姐妹与患者之间25个不同皮质脑区（组织成5个网络）的功能连接差异。C. 热图显示了未受影响的兄弟姐妹与患者之间不同脑区的连接差异。D. 患者和未受影响兄弟姐妹在6923个感兴趣区域之间每个唯一连接的功能连接值直方图。

这些结果表明，PLXNB1信号传导的失调可能通过破坏神经突生长和功能性脑连接，增加PBD和其他情绪调节相关障碍的风险。总的来说，该研究建立并验证了一种新型的基于家族的组合方法，用于研究精神障碍中的细胞和分子缺陷。

Sentieon软件介绍

Sentieon为完整的纯软件基因变异检测二级分析方案，其分析流程完全忠于BWA、GATK、MuTect2、STAR、Minimap2、Fgbio、picard等金标准的数学模型。在匹配开源流程分析结果的前提下，大幅提升WGS、WES、Panel、UMI、ctDNA、RNA等测序数据的分析效率和检出精度，并匹配目前全部第二代、三代测序平台。

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