摘要：● 本研究使用大规模非综合征型唇腭裂（NSCL/P）病例-对照样本的基因组数据以及多组织转录组数据，探究了NSCL/P发生相关的易感基因。通过全转录组关联研究（TWAS）和一系列功能研究，发现rs12884809 G>A通过增强转录因子ELK1与KLC1启动子

全转录组关联研究鉴定KLC1调控线粒体自噬参与非综合征型唇腭裂的发生机制

iMeta主页：http://www.imeta.science

研究论文

● 原文: iMeta (IF 23.8)

●

原文链接DOI: https://doi.org/10.1002/imt2.262

● 2024年12月20日，南京医科大学潘永初、王美林、杜牧龙等在iMeta在线发表了题为“

Transcriptome-wide association identifies KLC1 as a regulator of mitophagy in non-syndromic cleft lip with or without palate

● 本研究使用大规模非综合征型唇腭裂（NSCL/P）病例-对照样本的基因组数据以及多组织转录组数据，探究了NSCL/P发生相关的易感基因。通过全转录组关联研究（TWAS）和一系列功能研究，发现rs12884809 G>A通过增强转录因子ELK1与KLC1启动子结合，促进KLC1的表达，增加NSCL/P的发生风险。KLC1调控线粒体自噬改变细胞表型以及斑马鱼颅颌面形态。该研究为NSCL/P的发病机理提供了新的见解。

● 第一作者：娄姝、朱贵荣

● 通讯作者：潘永初（panyongchu@njmu.edu.cn）、杜牧龙（drdumulong@njmu.edu.cn）、王美林（mwang@njmu.edu.cn）

● 合作作者：邢常悦、郝舒姝、林君彦、徐嘉一、李丹丹、杜一飞、米丛波、孙莲、王林

● 主要单位：口腔疾病研究与防治国家级重点实验室培育建设点、南京医科大学附属口腔医院、南京医科大学公共卫生学院

亮 点

● 运用TWAS方法，整合eQTL与GWAS数据，鉴定出多个与NSCL/P发生相关的易感位点和基因;

● Rs12884809 G>A增强转录因子ELK1与KLC1启动子结合，进而上调KLC1表达；

● KLC1表达减少可促进线粒体自噬，导致细胞增殖与迁移下降、凋亡增加，以及斑马鱼颅颌面发育异常。

摘 要

本研究通过转录组关联研究（TWAS），将表达数量性状基因座（eQTL）数据与全基因组关联研究（GWAS）数据相结合，识别出多个关键的易感基因和位点。功能实验发现rs12884809 G>A通过增强转录因子ELK1与KLC1启动子结合，促进KLC1的表达，增加NSCL/P的发生风险。KLC1调控线粒体自噬，导致细胞表型和斑马鱼颅颌面形态的显著变化。本研究为NSCL/P的发病机理提供了新的见解，为未来的预防策略提供了重要的参考。

视频解读

Bilibili：https://www.bilibili.com/video/BV1LckSYyEJC/

Youtube：https://youtu.be/P7RyVNl16Mo

中文翻译、PPT、中/英文视频解读等扩展资料下载

请访问期刊官网：http://www.imeta.science/

全文解读

引 言

非综合征性唇腭裂（NSCL/P）是最常见的先天性颅面畸形之一，每700个活产新生儿中约有1例发生。由遗传和环境因素共同作用所导致。

全基因组关联研究（GWAS）能有效揭示NSCL/P遗传易感因素。本课题之前的GWAS研究识别了16p13.3作为一个新的风险位点。但是，目前仍然存在遗传缺失以及功能性位点识别和鉴定不足的问题。

近年来，全转录组关联研究（TWAS）发展迅速，通过整合表达数量性状基因座（eQTL）数据及GWAS数据，可帮助识别可能的靶基因并揭示复杂疾病的调控机制。本研究系统应用TWAS方法，识别出与NSCL/P相关的潜在易感基因，并利用功能实验阐明其发病机制，为NSCL/P遗传易感性的研究提供了更多依据。

结果和讨论

GWAS和TWAS揭示了与NSCL/P发生相关的新易感基因

本研究进行了两阶段的NSCL/P GWAS研究，共纳入1,069例病例和1,724例对照（图S1A−C）。Meta分析发现3个与NSCL/P发生显著相关的位点，分别位于1q32.2（rs72741048）、2p24.2（rs6758077）和17p13.1（rs9900753，图S1D−F）。在19q13.11（rs134541）和20q12.1（rs12651896，图S1D−F）观察到接近显著的趋势。

跨组织和单组织TWAS分析发现20个基因在多个组织中与NSCL/P的发生显著相关（图1A，表S1）。其中有6个基因在至少三种组织中与NSCL/P发生风险显著相关（表S1，S2）。TRAF3IP3和OSR2此前已被报道与NSCL/P的发生相关，WFDC13、SLPI、RASGRP4和KLC1是新发现的易感基因。WFDC13是端粒簇成员，在生殖老化过程中，其在睾丸和近端附睾的表达存在显著变化；SLPI对组织修复至关重要，包括口腔内伤口愈合；RasGRP4是Ras蛋白的激活因子，参与炎症和免疫激活；KLC1是动植物细胞内运输的重要组成部分，在大脑和神经组织中高度富集。

rs12884809对KLC1的遗传调控

GWAS和eQTL的共定位分析，发现位于14q32.3的KLC1在NSCL/P GWAS和eQTL之间共享相同的遗传信号（表S3）。Rs12884809与NSCL/P发生风险以及全血中KLC1的表达均显著相关（图1B，表S3）。与rs12884809强连锁的SNPs也与NSCL/P的发生风险和KLC1的表达显著相关（图1B）。Novas等人发现KLC1调节纤毛长度，对于胚胎发育至关重要。纤毛功能障碍会导致纤毛病，包括从轻微的中线缺陷到严重的唇腭裂。此外，DECIPHER数据库也发现KLC1区域的基因片段缺失或重复会导致6名患者出现唇裂或腭裂表型。

Rs12884809位于具有启动子和转录调控活性的染色质区域（表S4，图S2A），在人胚胎颅面组织（图1C）、人口腔角质形成细胞（HOK）和人胚腭间充质细胞（HEPM）中显著富集H3K4me3，表明其具有启动子活性（图1D）。双荧光素酶报告基因实验显示，与G等位基因相比，rs12884809 A等位基因显著增加了启动子活性（图1E）。凝胶电泳迁移实验（EMSA）也表明A等位基因与核蛋白的结合比G等位基因更强（图S2B）。

Cistrome和PERFECTOS-APE结果显示，rs12884809位于ELK1结合基序内，且G和A等位基因之间的结合差异显著（图1F，表S5）。超迁移EMSA实验进一步验证了A等位基因对ELK1的结合能力更强（图S2C）。ELK1是Ets家族转录因子和三元复合因子（TCF）亚家族的成员，在转录调控中发挥重要作用。ELK1敲低显著减少了KLC1表达，而过表达则增加了KLC1表达（图S2D，E）。有研究表明，Ets-1结合位点的破坏会导致唇腭裂缺陷。这些结果表明，rs12884809 G>A变异增加转录因子ELK1的结合，增强启动子活性，从而促进KLC1表达。

图1. GWAS和TWAS鉴定遗传学关联以及rs12884809的等位基因特异性效应

KLC1缺失导致斑马鱼颅面异常并影响细胞增殖、迁移和凋亡

klc1在小鼠模型的唇腭发育（E10.5d至E15.5d）和颅面组织（E10.5d至E14.5d）中持续表达（图S3A，B）；NSCL/P患者来源的牙髓干细胞中KLC1表达显著降低（图S3C）。

为了探究KLC1的生物学作用，我们构建了klc1a敲低和过表达的斑马鱼模型（图S4A）。klc1a敲低的胚胎出现更多发育异常（图S4B-E），如脊柱弯曲、颅面缺陷、心包水肿和体长缩短，而过表达模型则表现出体长增加且没有畸形（图2A，B）。klc1a敲低组胚胎显示腭方骨长度以及筛板长度和宽度均减少，而过表达组测量值则显著增加（图2C）。此外，敲低组胚胎还表现出唇部畸形（图2D）。

在细胞模型中，KLC1敲低抑制了HOK和HEPM细胞的增殖、迁移能力，并促进了细胞凋亡，而过表达则促进了细胞增殖、迁移并抑制了细胞凋亡（图S5）。这些结果提示了KLC1对于颅颌面发育的重要性。

KLC1调控线粒体自噬在NSCL/P发生中的作用

为进一步阐明KLC1在NSCL/P发生中的机制，我们在KLC1敲低的细胞模型中进行了RNA测序分析（图S6A，B）。KEGG以及基于GWAS数据的基因集富集分析（GSEA）表明，线粒体自噬通路可能参与其中（图2E，S6C，D）。基因集变异分析（GSVA）显示，KLC1与细胞中线粒体自噬水平显著相关（图S6E，F）。KLC1敲低引起线粒体自噬关键基因的表达上调（图2F，S7）。

在KLC1敲低的细胞中，溶酶体与线粒体以及自噬体与线粒体的共定位显著增加（图2G，S8A）。透射电子显微镜（TEM）（图2H，S8B）和JC-1染色分析（图2I，S8C）也证实KLC1敲低后线粒体自噬增强，而过表达则减弱。在细胞中加入线粒体自噬抑制剂Mdivi-1后，能够部分回复KLC1敲低对细胞凋亡、增殖和迁移的影响（图2J−L，S9）。

图2. KLC1的体内和体外功能及其对线粒体自噬的调控

结 论

本研究采用TWAS方法，将eQTL数据与NSCL/P的GWAS数据相结合，鉴定出参与NSCL/P发生的易感位点和基因。通过体内和体外实验，我们发现rs12884809 G>A变异增强了转录因子ELK1与KLC1启动子区域的结合，从而促进了KLC1的表达。另一方面，KLC1表达下降会促进线粒体自噬，从而导致细胞增殖和迁移能力下降，凋亡增加，斑马鱼颅颌面发育异常，最终增加NSCL/P的发生风险。本研究为NSCL/P的发病机制研究和临床预防提供了新的依据。

代码和数据可用性

引文格式：

Lou, Shu, Guirong Zhu, Changyue Xing, Shushu Hao, Junyan Lin, Jiayi Xu, Dandan Li, et al. 2024. “Transcriptome‐wide association identifies KLC1as a regulator of mitophagy in non‐syndromic cleft lip with or without palate.”iMeta3. e262. https://doi.org/10.1002/imt2.262.

作者简介

娄姝（第一作者）

● 南京医科大学附属口腔医院讲师。

● 研究方向为颅颌面发育异常的遗传学机制研究，在iMeta、CellDeath Dis、Hum Mutat等期刊发表SCI论文。主持国家自然科学基金青年项目1项，江苏省自然科学基金青年项目1项，江苏省高等学校自然科学面上项目1项，中国博士后科学基金面上项目1项。作为主要完成人获得国家级华夏医学科技奖三等奖，江苏省高等学校科学技术研究成果奖二等奖。

朱贵荣（第一作者）

● 博士研究生，2023年6月毕业于南京医科大学口腔医学院。

● 研究方向为口腔疾病的遗传学研究，在iMeta、Epigenomics、Cells等期刊发表SCI论文。

潘永初（通讯作者）

● 南京医科大学附属口腔医院教授，博士生导师。

● 研究方向为口腔复杂疾病遗传及机制研究。主持国家自然科学基金4项，教育部博士点基金、省级课题各1项、中国博士后特别基金1项。获得中华口腔医学科技三等奖、华夏医学科技奖三等奖、江苏省科技进步二等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果奖-自然科学奖二等奖、江苏省医学新技术引进二等奖以及江苏省科学技术奖二等奖，取得国家发明专利4项。在J Dent Res、Cell Death Dis、Hum Mutat、Eur J Hum Genet、Stem Cell Research & Therapy、Oral Dis等专业领域知名期刊上发表研究论文。

更多推荐

（▼ 点击跳转）

高引文章 ▸▸▸▸

iMeta | 引用15000+，海普洛斯陈实富发布新版fastp，更快更好地处理FASTQ数据

高引文章 ▸▸▸▸

iMeta | 兰大张东组：使用PhyloSuite进行分子系统发育及系统发育树的统计分析

高引文章▸▸▸▸

iMeta | 唐海宝/张兴坦-用于比较基因组学分析的多功能分析套件JCVI

1卷1期

1卷2期

1卷3期

1卷4期

2卷1期

2卷2期

2卷3期

2卷4期

3卷1期

3卷2期

3卷3期

3卷4期

3卷5期

1卷1期

1卷2期

期刊简介

“iMeta” 是由威立、宏科学和本领域数千名华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表所有领域高影响力的研究、方法和综述，重点关注微生物组、生物信息、大数据和多组学等前沿交叉学科。目标是发表前10%(IF > 20)的高影响力论文。期刊特色包括中英双语图文、双语视频、可重复分析、图片打磨、60万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊！相继被Google Scholar、PubMed、SCIE、ESI、DOAJ、Scopus等数据库收录！2024年6月获得首个影响因子23.8，位列全球SCI期刊前千分之五(107/21848)，微生物学科2/161，仅低于Nature Reviews，学科研究类期刊全球第一，中国大陆11/514！

“iMetaOmics” 是“iMeta” 子刊，主编由中国科学院北京生命科学研究院赵方庆研究员和香港中文大学于君教授担任，是定位IF>10的高水平综合期刊，欢迎投稿！

iMeta主页：

姊妹刊iMetaOmics主页：

出版社iMeta主页：

出版社iMetaOmics主页：

iMeta投稿：

iMetaOmics投稿：

邮箱：

office@imeta.science

来源：微生物组