季节性和人体生理遗传变异映射

每日的旋转地球及其年度环游太阳是地球上生命的自然节奏。人类健康指标如体温、血压和睡眠,以及动物行为包括觅食,蜕皮,交配或冬眠,受先天影响生物钟,在昼夜(昼夜24小时)和/或circannual季节和十二个月的周期。

Manuel Irimia博士和博士领导的研究小组罗德里克Guigo基因组中心的监管(点)在巴塞罗那已经发表的研究公共科学图书馆生物学细节的昼夜和circannual周期如何影响人类在分子水平上通过测量细胞内基因的活性变化在不同类型的组织。

研究人员研究了基因表达,一个重要的过程的信息编码在基因是用于创建有用的产品,如蛋白质、细胞、组织和器官需要为了生存和正常运转。改变基因表达可以受益或对人类健康产生不良影响,这就是为什么研究人员研究哪些因素调节过程,制定有效的诊断和治疗策略。

研究分析基因表达数据来自46个不同人体组织提供的932捐赠者Genotype-Tissue表达式(GTEx)项目,科学界所使用的数据库和组织银行探索基因表达的影响和对人类健康和疾病的变化。

测量GTEx项目捐赠死后,和该研究的作者使用时间和季节死亡的项目的元数据来评估生理和circannual变异对基因表达的影响整个人体。与其他研究只能推断死亡时间,GTEx数据提供了确切的时间,测量,对研究结果的有效性至关重要。

分析显示,组织在胸腔昼夜最多的基因,包括肺(17.2%的基因表达的组织)和心脏的左心室(19.2%),这可以解释为心率和呼吸模式之间的差异。相比之下,只有85个基因在唾液腺显示昼夜变异(0.63%),其次是92年横结肠睪丸(0.67%)和105年(0.66%)。

研究人员下一步检查白天与夜晚基因的比例在每个组织。这表明胃有很强的昼夜对基因表达的偏好,而皮肤没有暴露于太阳最强显示夜间偏好。正如所料,引起皮肤出现相反的效果,在昼夜偏好,这可能是因为紫外线改变细胞内基因表达。

该研究的作者还创建了445个基因列表一致的白天还是夜晚模式跨多个组织。列表中包括“时钟基因”已经扮演着一个重要角色在昼夜节律和控制人类清醒时和主动。作者发现生物钟基因的表达变化也是守恒的狒狒和老鼠,尽管在老鼠时钟倒的情况下,按预期从夜间活动的动物。

还揭示了许多基因列表不是以前在昼夜周期的变化而变化。THRA就是一个例子,一个甲状腺激素受体被发现在晚上高峰在15个不同类型的人体组织。另一个例子是TRIM22,白天高峰,这是表示为了应对病毒感染,限制复制的能力,例如通过抑制hiv - 1的转录。

季节性对基因表达的影响表明,十二个月的变化也有类似的效果24小时变化的大小。比例最高的季节性基因被发现睾丸(25.6%),最低的一个组织的比例昼夜基因——其次是大脑的多个条件。相比之下,心脏的左心室显示季节性的最低水平(2.8%)。

“我们发现昼夜和季节变化在很大程度上是分开的。大脑和性腺的组织表现出季节性最高,而在胸腔显示更强的昼夜监管。这不仅表明基因,还组织,不同受昼夜和季节变化影响,”ICREA研究Manuel Irimia教授解释说,他是这项研究的合作者之一,基因组中心研究员监管。

大多数组织没有任何偏见season-specific基因表达的变化除了睾丸,显示大规模基因表达的增加在秋天和春天减少。这个发现可能反映了季节性变化在性腺的函数。

作者创建了一个列表的1748个独特的基因一致的季节性模式跨多个组织在春天- 308,361年的夏天,1072年秋季和322年冬季。这些基因与免疫功能及其表达了在秋季和冬季,符合季节性病毒感染。一些基因也与激素的活性在下丘脑和垂体腺。例如,在夏季垂体激素基因达到顶峰。

基因的列表显示季节性波动之前与各种疾病。例如,神经胶质瘤的表达肿瘤抑制基因1 (GLTSCR1)候选区域增加在秋天在16个不同类型的组织,包括大脑的大脑半球。GLTSCR1曾与智力障碍疾病。

研究人员还发现,角蛋白1 (KRT1)的表达减少冬天在24个不同类型的组织。KRT1突变小鼠曾与生产异常的蛋白质水平调节免疫系统,以及异常的色素沉着的皮肤。

之前的研究表明,季节性变化可以改变神经元的结构安排和其他中枢神经系统内的细胞类型。研究人员利用基因表达的研究来探索这个级别,并发现模式表明,大脑细胞的体积和相对安排包括神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞变化特别是大脑的条件。

例如,星形胶质细胞的表达,神经元细胞的支持,增加在秋天和冬天和夏天普遍下降。进一步的研究可以评估这一发现的功能的影响以及是否与精神和大脑疾病的季节性模式。

最后,研究人员将他们的445个昼夜基因列表并与数据库1748个季节性基因的列表,包括已知基因药物治疗各种疾病的目标。他们发现91个昼夜基因(20%)目前正在1071种不同药物的目标,每一个都可以在正确的时间将受益于被管理的。

他们还发现,307年季节性基因(18%)是由2632个不同的有针对性的药物,每一种都可能将受益于在合适的季节——夏天,秋天,冬天和春天。这包括11抗癌药物包括bortezomib目标16基因与顺铂,目标15。它还包括一个抗癌药物仍处于临床试验阶段。

“这些发现对管理产生影响的药物目标特定的基因在特定的身体部位。例如,更高的表达基因在特定时间的一天,大剂量必须阻止他们的行动。用药可以定时的最佳匹配的昼夜的基因表达模式。我们的研究结果也可能影响临床试验,在相同的药物剂量的影响可能会改变根据季节的不同,“博士,罗德里克Guigo,他是这项研究的合作者之一,基因组中心研究员监管。

参考:Wucher V, Sodaei R,位研究员阿马多尔。R因服用这些Irimia M, Guigo R .昼夜和季节变化的人类基因表达的组织。公共科学图书馆生物学。2023;21 (2):e3001986。doi:10.1371 / journal.pbio.3001986

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