Nat Commun：全转录组关联分析揭示人类DNA中的“化石病毒”为重大精神疾病的新风险因素

精神分裂症、双相情感障碍、重性抑郁障碍和自闭症谱系障碍等精神障碍与遗传因素有关。以上疾病的相关变异大多是非编码的，被认为会影响局部基因调控。全转录组关联研究（TWAS）可以帮助鉴定易感性相关基因的表达特征，有可能揭示对疾病病因的见解，并识别新的药物靶点。但该方法在很大程度上忽略了与易感性有关的重复元件表达，例如人类内源性逆转录病毒（HERV）。

HERV约占人类基因组的8%，是由遗传物质组成的“非编码”序列，这些遗传物质起源于生殖细胞在进化过程中的古逆转录病毒感染。研究表明大多数HERV插入发生在约120万年前。HERV与许多精神疾病有关，但大多数研究在分析复杂的多基因性状方面能力不足，因此HERV在病因中的作用尚不清楚。

英国伦敦国王学院的研究团队及合作者在Nature Communications发表了题为“Integrating human endogenous retroviruses into transcriptome-wide association studies highlights novel risk factors for major psychiatric conditions”的文章。研究团队使用792个过世后大脑样本的RNA测序和遗传数据，进行了全转录组关联分析（TWAS），将HERV的表达量化到精确的基因组位置。研究在成人皮层中发现了广泛的HERV表达和调控，包括与精神疾病的遗传风险相关。同时还发现了将典型基因表达与HERV联系起来的共表达网络，能够广泛地推断一些特定HERV在神经生物学中可能发挥的功能，为探索复杂神经精神特征中的神经HERV表达提供了理论依据。

文章发表在Nature Communications

01 顺式遗传表达HERV

逆转录组关联研究（rTWAS）概览如图1所示，包含来自欧洲（N=563）和非洲（N=229）的人类祖先。在非洲人类样本中表达的4645个HERV中，有4463个（96%）也在欧洲队列中检测到。852个在非洲人中表现出顺式可遗传表达的HERV中，只有534个（63%）在欧洲人中表现出顺式可遗传表达。虽然队列之间统计功效有差异，但这些数据初步表明了HERV表达调控的祖先特异性差异。

图1. rTWAS方法概览。

02 逆转录组关联研究

研究团队使用CommonMind Consortium欧洲子集计算SNP权重，分析了欧洲队列的精神特征，共鉴定出26个与精神疾病易感性相关的HERV表达特征。具体而言，rTWAS鉴定出163个精神分裂症的Bonferroni显著风险表达特征，其中15个（9%）与HERV有关，分别为9个正调控和6个负调控特征（图2A）。HERV表达的最高关联信号来源于染色体6p21-22上的主要组织相容性复合体（MHC）基因座和染色体2q33。

对于其他性状，与风险相关的表达特征较少，这可能是因为GWAS中分析的队列较小，或者这些性状的遗传力降低。对于双相情感障碍，研究确定了47个与易感性相关的表达特征，其中只有两个（4%）是HERV（图2B）。对于重度抑郁症，研究鉴定了29个特征，其中9个（31%）是HERV，5个在染色体1p31上，2个在染色体9p23上，1个在染色体3p21和14q24上（图2C）。

图2. 主要精神疾病的逆转录组关联研究。

03 条件分析和rTWAS精细映射

研究团队用FUSION算法进行了条件分析，以确定联合和条件独立的关联，从而分离出独立于周围典型基因表达的HERV表达关联，并进一步解释其基因位点中的GWAS信号。对于精神分裂症，确定了91个条件独立的关联，其中6个（7%）对应于HERV（图3A）。对于双相情感障碍，发现了30个条件独立的关联，其中两个（7%）与HERV相关（图3B）。对于重度抑郁障碍，确定了12个条件独立的关联，其中2个（17%）与HERV相关（图3C）。对于注意力缺陷多动障碍和自闭症谱系障碍，分别确定了4个和1个条件独立的关联，但这些关联仅与典型基因有关。

图3. 预测的HERV表达特征解释了多个位置的GWAS信号。

精神分裂症的rTWAS精细映射分析显示，11个HERV表达特征更有可能解释其基因位点相对于邻近遗传特征的关联信号。其中，3个HERV表达特征在条件分析中与精神分裂症有关，因此被认为是高置信度风险的HERV（图4A）。对于双相情感障碍，确定了两个后验包含概率（PIP）>0.50的HERV，其中一个根据条件分析是独立的（图4B）。对于重性抑郁障碍，确定了4个PIP>0.50的HERV，其中一个根据条件分析是独立的（图4C）。

图4. 精细映射分析支持多种精神疾病的高置信度风险HERV。

04 高置信度风险HERV的表征

与最接近的典型基因相比，欧洲样本中高置信度风险HERV的表达较低（图5A），因为成人脑组织中的HERV表达受到表观遗传学标记物和HERV调节因子（如TRIM28）的抑制。分析发现，表达的HERV大多属于基因组的基因间和内含子区域（98%；图5B）。研究检索了包含内含子 HERV 的典型基因表达和链信息，显示这些基因大多未表达或位于 HERV 的对侧链中。以上结果表明大多数表达的HERV可能反映了新的非编码RNA，而非典型基因的特定异构体。

图5. 高置信度风险HERV的基因组背景。

为了进一步研究来自欧洲血统的563个样本的DLPFC中表达的HERV的功能，研究团队使用加权相关网络分析（WGCNA）分析了表达数据，发现所有共表达模块都含有一些HERV，这表明HERV在不同生物功能中具有潜在的作用，不过它们在各个模块中的分布差异很大（图6A）。此外，基因本体（GO）分析确定了每个模块典型基因的GO术语（图6B）。

图6. 共表达分析确定了与经典基因共表达的HERV，并支持它们在一系列生物功能中的作用。

综上所述，该研究使用TWAS方法对五种主要精神疾病进行逆转录组推断，利用了从大量人群样本中获得的RNA测序和基因数据。通过将神经HERV表达估计到精确的基因组位，以确定与精神疾病相关的表达特征，同时规避了传统病例对照研究中普遍存在的局限性。研究确定了成人大脑中广泛的HERV表达和调节，包括与精神疾病遗传风险的关联，进一步揭示了HERV在精神疾病病因学中的作用。该研究为探索复杂神经精神特征中神经HERV的表达提供了理论基础。

论文原文：

Duarte, R.R.R., Pain, O., Bendall, M.L. et al. Integrating human endogenous retroviruses into transcriptome-wide association studies highlights novel risk factors for major psychiatric conditions. Nat Commun 15, 3803 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48153-z