Nat Genet | 冯园庆等发现人类肤色进化和多样性的遗传机制

宾夕法尼亚大学Sarah A. Tishkoff教授团队（冯园庆博士为第一作者，谢宁博士为第二作者）与合作者在Nature Genetics在线发表研究论文“Integrative functional genomic analyses identify genetic variants influencing skin pigmentation in Africans”，该研究运用整合基因组学和功能基因组学对非洲人群肤色进行研究，揭示了人类肤色多样性和适应性进化的遗传机制。

肤色是具有高度遗传性的复杂性状，受到数百个基因位点的影响。全基因组关联分析表明人类肤色相关突变中，90%以上都是位于非编码区，如何研究非编码区突变的功能是一个挑战。研究者运用了两种方法寻找与皮肤色素相关的候选单核苷酸突变（SNP），一种是通过对多个种族的非洲人群进行肤色相关的全基因组关联分析（GWAS）获得GWAS-SNP，一种是通过自然选择扫描（natural selection scan）对浅肤色的桑人群与其他深肤色的非洲人群进行比较获得显著差异的Di-SNP。大规模平行报告基因检测技术(massively parallel reporter assays, MPRA)可以同时检测基因组数千个调控元件及突变的调控活性。研究者挑选出位于黑色素细胞的开放染色质区域中的候选SNP，使用MPRA检测了这些候选SNP的调控活性。

为了识别这些SNP的潜在靶基因，使用 Hi-C和H3K27ac HiChIP技术，构建了高分辨率的染色质相互作用图谱。最后，结合荧光素酶报告基因检测、CRISPR介导的基因组编辑、转录组分析和黑色素丰度检测，发现了多个显著影响黑素细胞中黑色素水平的新突变、增强子和新基因，揭示了调控人类皮肤色素的遗传机制。从20,000多个通过全基因组关联分析和自然选择扫描得到的候选SNP中，研究者选择了1,157个 SNP用于MPRA，鉴定出165个可以改变调控活性的功能性SNP(MFV)（图1）。进一步验证了其中16个MFV可以调控增强子活性，并使用功能基因组方法鉴定了它们的靶基因。

图1. 大规模筛选与非洲人肤色相关的遗传突变。左图，筛选候选SNP示意图。右图，MPRA流程图。

与其他非洲人群相比，非洲南部的桑人群肤色最浅，并且拥有人类最古老的遗传谱系。研究发现MITF附近的rs111969762、LEF1附近的rs17038630和TRPS1附近的 rs11985280，这三个Di-SNP均能显著影响增强子活性及其靶基因的表达，可能对桑人皮肤色素的适应性进化发挥了作用。MITF、LEF1和TRPS1参与调节黑色素细胞的分化和毛发的发育，这表明在桑人中观察到的影响肤色的突变也可能影响其独特的头发形态。值得注意的是，TRPS1附近的突变rs11985280，与浅肤色相关的突变频率在桑人和大多数非洲以外人群中接近100%，而与深肤色相关的突变频率在大多数深肤色的非洲人群和深肤色的美拉尼西亚人群中很高，这是一个全球对紫外线照射的适应的典型例子。

研究发现OCA2（一种与白化病相关的基因）增强子的突变rs6497271可导致黑色素细胞里的黑色素水平降低75%。并且，在同一个OCA2增强子中，有两个位置相邻很近的突变均可显著影响调控活性，这两个突变分别有120万年和5.7万年的历史，后者与人类迁出非洲的时期很巧合的一致。这个研究说明人类的肤色在不断演变，并且这样的演变在不同的时期发生在同一个重要基因的同一个增强子上。研究还发现GWAS-SNP rs7948623的主要靶基因是CYB561A3和TMEM138（图2）。重要的是，通过功能实验，进一步发现了CYB561A3是一个影响人类皮肤色素的新基因，它能够调控线粒体呼吸和黑素生成相关的基因表达。

图2. GWAS-SNP rs7948623 的主要靶基因是CYB561A3和TMEM138。左图，MPRA 在 DDB1 基因座附近鉴定出的3个调控突变。右图，Hi-C 和 H3K27ac HiChIP 鉴定 DDB1基因座附近的染色质相互作用。

本研究综合群体遗传学和功能基因组学，GWAS和进化分析，MPRA技术，结合Hi-C、CRISPR基因编辑等实验技术，一次性检测成千上万个非编码突变的功能，鉴定了功能突变的靶基因，发现了调控色素的新基因。这种整合基因组学方法，可广泛推广应用于高通量地研究人类疾病或复杂性状的遗传因素，鉴定功能性突变以及新的致病基因，为精准医疗和药物靶点鉴定提供指导。

人类肤色的差异变化是一种复杂的适应性特征，受到众多遗传位点的影响。本研究发现了非编码突变在决定人类肤色上发挥着重要作用，强调了影响肤色的遗传因素的复杂性，也凸显出研究具有高度的遗传多样性和表型多样性的人群，对确定复杂性状的遗传基础十分重要。同时，研究提供了肤色多样性的历史进化的新信息，有助于更清晰地描述人类进化。