复旦、中科院团队发现肢体发育相关基因在指纹花纹形成中发挥关键作用成果登《细胞》主刊

作者: 2022-01-07 来源:
放大 缩小

  指纹是存在于指皮肤上的凹凸纹路,因其恒定性及高遗传性,已成为目前研究最广泛的肤纹类型。我们的指纹花纹如何形成?何种基因在其中发挥了主导作用?人类对指纹花纹这类表型形成的生物学机制仍知之甚少。

  为解开以上谜团,中科院上海营养与健康研究所汪思佳研究员团队、爱丁堡大学Denis Headon教授团队和复旦大学金力院士团队联合国内外十余家科研机构对此展开深入研究,通过对较大样本人群的分析,精确量化了多种族群体的指纹花纹,经分析几百万遗传位点和指纹花纹之间的关系后指出,人类肢体发育相关基因在指纹花纹表型的形成中发挥了关键作用,有望为研究通过肤纹表型实现特定疾病的早期识别与筛查提供新思路。

  北京时间2022年1月7日,相关研究成果以《肢体发育基因构成人类指纹花纹差异的基础》(“Limb development genes underlie variation in human fingerprint patterns”)为题发表于2022年第一期《细胞》(Cell)主刊。

  析理入微,解析指纹花纹遗传学结构

  指纹花纹表型与何处基因密切相关,其背后有着怎样的遗传学机制?研究者们从定位与指纹花纹表型相关的遗传变异入手,面向23,000多例个体进行全基因组关联扫描与多群体荟萃分析,从中识别出43个与人类指纹花纹相关的遗传基因座。

  “我们观察到,这些基因显著富集在肢体发育与形成的相关通路,而非皮肤发育相关通路。”这一特征的发现令团队欣喜不已。其中,位于3q26.2区域临近EVI1基因的变异位点与中间三枚手指指纹的复合表型显著相关,从而为上世纪初即被发现的“指纹模块现象”(中间三枚手指指纹高度相关)提供了表型组学和遗传学解释。

  不止于此,基于小鼠动物模型和人胚胎组织的实验观察,团队发现,人类胎儿组织从肢体发育到皮纹形成的系列过程中,支持EVI1基因发挥塑造四肢和手指作用的,正是表达于肢体发育期的间充质细胞,而非皮肤发育期的上皮细胞。这进一步与研究结论相印合:指纹相关基因恰通过调控肢体发育来影响指纹花纹的形成。

  通过多表型关联分析,该研究亦发现指纹花纹与手指长度比例间紧密相关性,两者共有相同遗传基础。如小指相对越长,掌长相对越短,双手斗型花纹越多;而食指远端指节(指纹形成处)相对越长,斗形花纹则越少。

  前景广博,助力识别潜在疾病风险

  “肤纹表型是人体外观表型的重要组成部分,和人体其它表型与疾病都有密切的联系。通过这项研究,我们揭示了影响指纹花纹形成的是一系列肢体发育相关的重要基因,而这些基因在人体发育中往往起着重要的‘一因多效’作用。”汪思佳表示。有如比邻排列的“多米诺骨牌”,肢体发育基因是指纹的内在影响因素。

  顺着这一思路,该项研究为肤纹与人体其它表型与疾病的关联研究提供了重要理论基础,有望打通宏观与微观表型的联系与作用机制,使“看手相识疾病”成为可能。“例如,科学界已经发现不同的皮纹表型与许多先天遗传性疾病之间的关联,比如唐氏综合征患者可能会有断掌、足拇趾弓状球纹等特征。”据悉,汪思佳团队正和复旦大学附属儿科医院等医疗机构合作,希望将相关研究成果尽早运用在新生儿先天性疾病的早期筛查中,实现早诊断、早治疗。

  范式革新,展现人类表型组学创新策源重大意义

  “本项成果是人类表型组研究的一个经典案例,很好地体现了人类表型组学作为一种新范式具有创新策源的重大科学意义”,论文共同通讯作者、中科院院士、复旦大学教授金力这样评价道。他指出,本次复旦和中科院团队基于人类表型组计划“测一切之可测”的理念,通过大规模采集相关数据后进行解析研究,首次发现了指纹花纹和肢体表型之间存在强关联,而强关联背后的作用机理,则在于指纹花纹的形成和肢体的发育受到同一个基因EVI1的影响。这是一种典型的人类表型组学的研究范式与方法。

  人类表型组,是人体所有生物特征的集合。开展人类表型组研究一个很重要的目的,就是要发现基因-表型-环境之间以及宏观-微观表型之间的关联机制、尤其是“强关联”及其背后的机制。据悉,复旦大学正和国内外伙伴一起大力推动人类表型组大科学计划,将对相当规模的志愿者群体尽可能多、尽可能全地采集表型数据,进而发现并解析表型之间的强关联、尤其是那些现在科学家还没有注意到的、与人类健康息息相关的表型间的强关联,最终形成一张由各种强关联组成的“导航图”,为未来的生命健康研究提供新的指引和方向。

  目前,经过来自不同机构的中国科学家团队的通力合作基于复旦在上海开展的800余人、每人测量近3万个表型的队列研究,已经初步绘制了全球首张“人类表型组导航图”,发现了150余万个强关联,其中跨领域强关联占39%,大部分是科学界首次发现。“这张‘导航图’,为我们科学界带来了海量的‘问号’,正等待我们科学家去进一步研究、破解,这也是我们下一步的重要工作之一。”金力说道。

  复旦大学人类表型组研究院、生命科学学院博士后李金喜,爱丁堡大学博士James Glover,复旦大学生命科学学院教授张海国和复旦大学生命科学学院博士彭美芳为该论文的共同第一作者,汪思佳研究员、Denis Headon教授和金力院士为该论文的共同通讯作者。

  相关工作得到中国科学院战略性先导科技专项、上海市科技重大专项“国际人类表型组计划(一期)”、国家重点研发项目、中国国家自然科学基金、中国博士后科学基金资助项目、国家科技基础性工作专项、CAMS医学科学创新基金、国家自然科学基金重大研究项目,美国国立口腔和颅面研究所、欧盟委员会、澳大利亚研究委员会、澳大利亚国家健康和医学研究委员会、英国医学研究委员会、威康信托基金、香港卡多里慈善基金会、英国威康信托公司、英国心脏基金会、英国MRC和英国癌症研究中心等中外单位和项目的合同资助。

  

  (文章转载于“人类表型组计划”微信公众号)

附件: