先天性心疾患の遺伝的知見
研究が、遺伝的要因が先天性心疾患の発症にどのように寄与するかを明らかにした。
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先天性心疾患(CHD)っていうのは、赤ちゃんが生まれた時から持ってる心臓の病気のことだよ。これらの欠陥は色々あって、心臓の構造や機能に影響するんだ。世界中で、約1000人に1人の赤ちゃんがCHDを持って生まれてきて、死産の要因にもなりうるんだって。CHDの原因は複雑で、遺伝的な要因と環境的な要因が混ざったものなんだ。CHDに関連する遺伝子はいくつか知られているけど、これらの心疾患に関連する遺伝的変化の多くはDNAの非コーディング領域に見つかるんだ。つまり、ほとんどの遺伝的変異は、体を作るタンパク質にはならないってこと。むしろ、心臓の発達中に遺伝子がどのようにオン・オフされるかに影響を与えるかもしれないね。
CHDを理解する挑戦
非コーディングの遺伝的変化がCHDにどのように関わっているかを理解するのはまだ難しいんだ。これらのDNAの領域は、心臓の発達における重要な機能、特にエンハンサーの役割に影響を与えるかもしれないんだ。エンハンサーは遺伝子の活動をコントロールするための特別なDNAの部分で、遺伝子を適切な時間、適切な場所でオン・オフするスイッチみたいなものだよ。これらの調節領域の変化が心臓の発達を妨げて、様々な心臓の欠陥につながる可能性があるんだ。
心臓のエンハンサーの特定
最近の研究では、CHDに関連する心臓のエンハンサーとして機能するかもしれないゲノムの領域を特定しようとしたんだ。彼らはCHDに関連する遺伝的変異のデータセットに焦点を当てて、何千ものサンプルを分析するために先進的なコンピュータ手法を使ったんだ。研究者たちは、エンハンサーの活動を示す特定のDNAマーカーを探したんだ。その結果、2000以上の潜在的な心臓のエンハンサーが特定されたんだ。これらの領域は、心臓の発達中に遺伝子調節に関与する活性の役割を示す特別なヒストン修飾によってマークされていたんだ。
転写因子の重要性
エンハンサーは、転写因子と呼ばれるタンパク質の結合部位を提供することで機能するんだ。これらの因子はターゲット遺伝子の活性化に欠かせなくて、遺伝子をオンにしてその役割を果たさせる手助けをするんだ。もしエンハンサー領域の遺伝的変異がこれらの転写因子の結合部位を妨げてしまうと、遺伝子発現に悪影響を及ぼして、最終的には心臓の問題につながる可能性があるんだ。研究者たちは、特定された心臓のエンハンサーの中にたくさんの転写因子結合部位があることを発見し、心臓の発達における彼らの重要な役割を強調したんだ。
種間の保存状態
この研究では、これらの心臓のエンハンサーがさまざまな種でどのように保存されているかも探ったんだ。いくつかの重要なエンハンサーは非常に保存されていることが分かったんだ。つまり、たくさんの異なる動物の進化の中でほとんど変わらずに残っているってこと。これが、これらのエンハンサーが心臓の発達にとって重要な機能を持っていることを示唆しているんだ。研究者たちは、このエンハンサーの保存スコアをランダムなDNAの断片と比較して、エンハンサーの方がはるかに高い保存レベルを示すことを見つけたんだ。
遺伝的変異の役割
研究者たちは、コーディング領域と非コーディング領域の両方にCHDに関連する特定の遺伝的変異を特定したんだ。コーディング領域はタンパク質を生成するDNAの部分で、非コーディング領域はタンパク質を生成しないけど、重要な調節機能を持つかもしれないんだ。特定された遺伝的変異の中には、タンパク質同士の相互作用を妨げるものもあったんだ。これらの相互作用は心筋収縮を含む多くの細胞機能にとって重要なんだ。特に心臓機能に重要なタンパク質の中に1つの変異が見つかったんだ。これは不安定なタンパク質相互作用を引き起こす可能性があり、心臓病の原因になりうるってことだよ。
データ収集と方法論
CHDに関連するこれらの遺伝的変異を見つけるために、研究者たちは大規模な公的データベースからデータを集めたんだ。彼らはこのデータを分析してフィルタリングし、心臓の欠陥に特に関連する一塩基多型(SNP)に焦点を当てたんだ。これらの遺伝的変化はコーディングSNPと非コーディングSNPに分類されたんだ。非コーディングSNPの分析は、どのゲノム領域が心臓のエンハンサーとして機能するかをより良く理解するのに役立ったんだ。
エンハンサー活性の分析
特定のヒストン修飾マーカーを使って、研究者たちは心臓の発達の異なる段階でのエンハンサー活性を分析したんだ。これによって、活性なエンハンサーと活性化の準備ができているエンハンサーの両方を特定することができたんだ。特定の段階でどのエンハンサーが活性化されるかを理解することで、遺伝的変異が心臓の形成にどのように影響を与えるかの洞察が得られるんだ。
今後の研究への影響
この研究の結果は、コーディング領域と非コーディング領域の遺伝的変異がCHDの発達において重要な役割を持っていることを明らかにしたんだ。これらの変異をよりよく理解することで、研究者たちは新しい治療や予防の可能性を探ることができるんだ。遺伝的変異と心臓の発達の変化との関連が明らかになることで、この分野の研究が続けられる重要性が浮き彫りになったんだ。
結論
先天性心疾患は依然として重要な健康問題だけど、遺伝学の研究の進展がその複雑なメカニズムを解き明かす手助けをしているんだ。心臓のエンハンサーの特定、転写因子の結合の理解、遺伝的変異の影響の分析を組み合わせることで、心臓の欠陥がどのように発生するかのより包括的な理解が得られるようになるんだ。このCHDに関わる遺伝的要因を調べ続けることで、科学コミュニティは影響を受けた個人を支援し、治療オプションを改善する新しい方法を見つけることを期待してるんだ。
タイトル: Computational analysis of congenital heart disease associated SNPs: Unveiling their impact on the gene regulatory system
概要: Congenital heart disease (CHD) is a prevalent condition characterized by defective heart development, causing premature death and stillbirths among infants. Genome-wide association studies (GWASs) have provided insights into the role of genetic variants in CHD pathogenesis through the identification of a comprehensive set of single-nucleotide polymorphisms (SNPs). Notably, 90-95% of these variants reside in the noncoding genome, complicating the understanding of their underlying mechanisms. Here, we developed a systematic computational pipeline for the identification and analysis of CHD-associated SNPs spanning both coding and noncoding regions of the genome. Initially, we curated a thorough dataset of SNPs from GWAS-catalog and ClinVar database and filtered them based on CHD-related traits. Subsequently, these CHD-SNPs were annotated and categorized into noncoding and coding regions based on their location. To study the functional implications of noncoding CHD-SNPs, we cross-validated them with enhancer-specific histone modification marks from developing human heart across 9 Carnegie stages and identified potential cardiac enhancers. This approach led to the identification of 2,056 CHD-associated putative enhancers (CHD-enhancers), 38.9% of them overlapping with known enhancers catalogued in human enhancer disease database. We identified heart-related transcription factor binding sites within these CHD-enhancers, offering insights into the impact of SNPs on TF binding. Conservation analysis further revealed that many of these CHD-enhancers were highly conserved across vertebrates, suggesting their evolutionary significance. Utilizing heart-specific expression quantitative trait loci data, we further identified a subset of 63 CHD-SNPs with regulatory potential distributed across various cardiac tissues. Concurrently, coding CHD-SNPs were represented as a protein interaction network and its subsequent binding energy analysis focused on a pair of proteins within this network, pinpointed a deleterious coding CHD-SNP, rs770030288, located in C2 domain of MYBPC3 protein. Overall, our findings demonstrate that SNPs have the potential to disrupt gene regulatory systems, either by affecting enhancer sequences or modulating protein-protein interactions, which can lead to abnormal developmental processes contributing to CHD pathogenesis. Authors SummaryCongenital heart disease (CHD) is a common condition with defects in heart development present from birth. CHD symptoms can range from mild to severe, often requiring early intervention or surgery. Over the years, numerous research studies have indicated the association of single nucleotide polymorphisms (SNPs) with CHD. However, the challenge arises from the fact that the majority of these variants are located within the noncoding portion of the genome, making it difficult to comprehend their mechanism of action. Here, we present a systematic computational pipeline to identify SNPs associated with CHD, in both protein-coding and noncoding regulatory elements - specifically, enhancers. Utilizing this pipeline, we established a collection of putative enhancers containing CHD-SNPs. Within these enhancers, several transcription factor binding sites (TFBSs) related to heart developmental processes were identified. The presence of SNPs in these sites may potentially impact the binding of TFs necessary for the expression of genes targeted by these enhancers. Additionally, some of these enhancers were also found to be evolutionary conserved, suggesting their functional relevance. Concurrently, we identified coding variants which can alter the protein-protein interactions in a protein interaction network. Taken together, our study provided critical insights into the role of genetic variants in the pathological mechanism of complex human diseases, including CHD.
著者: Cecilia Lanny Winata, S. Vashisht, C. Parisi
最終更新: 2024-03-22 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.03.20.24304537
ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.03.20.24304537.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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