原文：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-1931-9
作者: runuply
介紹
體內(nèi)研究對于多器官系統(tǒng)的功能解剖和整個生物體的生理至關(guān)重要，而實驗室小鼠仍然是研究哺乳動物（尤其是人類）病理生物學(xué)的典型動物模型。
通過基因組測序，誘變和基因組編輯，表型分析和生物信息學(xué)方面的技術(shù)創(chuàng)新，小鼠體內(nèi)基因功能和功能障礙的體內(nèi)分析已使人們對疾病的機(jī)理有了新的認(rèn)識，并加速了醫(yī)學(xué)進(jìn)步。但是，許多重大障礙限制了對罕見和復(fù)雜，多因素疾病的潛在機(jī)制的闡明，從而在科學(xué)知識上留下了巨大的空白。開發(fā)帶有功能注釋的基因組圖譜的未來進(jìn)展取決于模型生物的研究，尤其是小鼠。此外，小鼠中遺傳操作和體內(nèi)，體外和計算表型分析技術(shù)的最新進(jìn)展使注釋哺乳動物基因組內(nèi)絕大多數(shù)功能元件成為可能。實施“深層基因組計劃”（在小鼠中提供人類所有直系同源基因組元件的功能性生物學(xué)注釋）是一項重要且可執(zhí)行的策略，可以改變對人類健康和疾病的遺傳和基因組變異的理解。
全面的了解遺傳學(xué)，在單個位點，單個基因和整個基因組的水平上，以及病因?qū)е碌幕蚋淖儼ɑ蛐蛄校琑NA或者是蛋白功能的改變，這些都對于滿足社會對精密醫(yī)學(xué)的期望以及對于優(yōu)化臨床實踐至關(guān)重要。小鼠和人類基因組具有超過80％的保守性和高度的基因同源性，為比較功能分析和使用轉(zhuǎn)基因小鼠研究人類疾病的病理生物學(xué)提供了獨特的機(jī)會。比如，在罕見病領(lǐng)域己經(jīng)知道的有6000到8000種遺傳性罕見病，其中有5000到6000個是知道致病的基因的，而且許多已經(jīng)通過小鼠進(jìn)行了致病基因證實研究的。然而，從基因型的角度看，人類已知的2萬多個基因中70%至80%的沒有與特異表現(xiàn)相關(guān)的基因型變異。CRISPR / Cas9已實現(xiàn)了小鼠基因組的快速高效靶向誘變。
體內(nèi)分析和成像技術(shù)的同步發(fā)展可以精確的重復(fù)出小鼠突變的表型。
幾乎所有身體系統(tǒng)的深表型分析，包括心血管系統(tǒng)，消化系統(tǒng)，內(nèi)分泌系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)，表皮系統(tǒng)，淋巴系統(tǒng)，肌肉系統(tǒng)，神經(jīng)系統(tǒng)，感覺系統(tǒng)，生殖系統(tǒng)，呼吸系統(tǒng)，骨骼系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)都是可能的。
此外，在線計算資源（例如MONARCH Initiative（www.monarchinitiative.org））使用受控詞匯來整合來自異類數(shù)據(jù)集（例如MGI，OMIM，Orphanet）的數(shù)字，文本和圖像生物學(xué)信息，從而將基因型鏈接到表型并進(jìn)行比較 在鼠標(biāo)和人類本體論之間。
這些和其他進(jìn)展促進(jìn)了工業(yè)規(guī)模突變小鼠生產(chǎn)和表型的協(xié)調(diào)，其成本遠(yuǎn)低于以前將使小鼠中所有人類直系同源基因組元件的功能注釋作為可實現(xiàn)的科學(xué)目標(biāo)的想象。實現(xiàn)這一目標(biāo)是國際小鼠表型研究協(xié)會（IMPC）工作的基礎(chǔ)。 IMPC是由位于五大洲12個國家的20個研究實驗室組成的協(xié)調(diào)計劃，致力于設(shè)計，生產(chǎn)和描述人類基因直系同源物在小鼠基因組中的功能（www.mousephenotype.org）。
這種全球努力的規(guī)模反映了人類基因組測序項目的精神和規(guī)模。IMPC使用胚胎干（ES）細(xì)胞中的同源重組和CRISPR / Cas9技術(shù)在小鼠基因組中創(chuàng)建基因突變體，然后對成年小鼠和胚胎的雌性和雄性隊列進(jìn)行全生物表型分析。到目前為止，重點一直放在小鼠基因組中空蛋白編碼等位基因的產(chǎn)生和表型分析上，認(rèn)識到這些資源是哺乳動物基因功能的基本基線，在此基礎(chǔ)上，其他突變的等位基因系列的產(chǎn)生和研究— 亞同型，新同型，反同型和超同型將繁榮并為基因-表型關(guān)系提供進(jìn)一步的見解。
IMPC領(lǐng)導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)研究和IMPC推動的研究揭示了與性別差異相關(guān)的人類疾病的基因關(guān)聯(lián)，包括聽力損失，眼病，代謝性疾病，骨病理學(xué)，發(fā)育異常等。 科學(xué)界（https://www.mousephenotype.org/data/publications）。這項工作在工業(yè)規(guī)模上繼續(xù)進(jìn)行，對基于基因的疾病表型和其他科學(xué)領(lǐng)域（例如保護(hù)和生態(tài)學(xué)）產(chǎn)生了新穎的見解。這種組合的小鼠產(chǎn)生，表型和信息學(xué)方法已被應(yīng)用于約1/3的已知孟德爾疾病基因，并檢測到人類疾病基因與直系同源基因的小鼠基因敲除（即無效等位基因）之間約有一半的基因具有顯著的表型相似性。
測試了每種疾病至少一種臨床表型的大部分基因（95％），并在整個人體系統(tǒng)范圍內(nèi)檢測到了匹配。目前，IMPC已經(jīng)為近9000個基因產(chǎn)生了空突變，其中有6000多個已經(jīng)被表型化。
到2021年7月，IMPC將完成9000多個基因的綜合表型注釋，約占小鼠?18,000個人類直系同源物的一半（圖1）。
IMPC在其2021年至2030年的十年戰(zhàn)略計劃中呼吁擴(kuò)大小鼠模型研究，以為孟德爾和多因素疾病提供精確的分子診斷和靶向治療方法，以最大程度地對人類健康產(chǎn)生有益影響（https://www.mousephenotypetest.org / about-impc /）。轉(zhuǎn)基因小鼠可以使用性別平衡和年齡匹配的突變小鼠隊列以及適當(dāng)?shù)倪z傳控件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)上的，隨機(jī)和盲目的實驗，并具有足夠的敏感性和特異性，以可靠地評估與特定性狀，發(fā)育，遺傳背景有關(guān)的基因功能和功能障礙或其他物理和環(huán)境條件。結(jié)果，小鼠遺傳學(xué)研究的規(guī)模和廣度越來越多地推動使用小鼠突變體和表型數(shù)據(jù)為人類基因組診斷項目提供信息，包括美國NIH孟德爾基因組學(xué)中心（www.mendelian.org），未診斷疾病網(wǎng)絡(luò)。 （https://undiagnosed.hms.harvard.edu/），加拿大的Care4Rare（http://care4rare.ca），Gabriella Miller兒童第一兒科研究計劃（https://kidsfirstdrc.org/），英國基因組計劃 （https://www.genomicsengland.co.uk/）和“基金會弊病罕見”（https://fondation-maladiesrares.org/eng/）。包括小鼠在內(nèi)的動物模型數(shù)據(jù)有助于在臨床測序中未知意義的變體中解釋潛在的因果變體。
盡管迄今為止的大量努力已經(jīng)揭示出了對整個哺乳動物基因組功能結(jié)構(gòu)的更全面的了解，但是仍然存在重大和重要的知識空白，這限制了解釋基因和遺傳變異與人類發(fā)育和疾病之間因果關(guān)系的能力。例如，大多數(shù)已發(fā)表的基因至表型研究繼續(xù)集中于已被充分注釋的基因，或者已經(jīng)具有生物學(xué)功能和突變的病理后果知識的基因。 結(jié)果，許多人類基因組尚未開發(fā)。
僅有約60％的哺乳動物基因組可獲得小鼠突變株和相關(guān)的表型數(shù)據(jù)，
無法完全照亮黑暗基因組是對實現(xiàn)基因組學(xué)，臨床基因組學(xué)，人類基因組計劃和精密醫(yī)學(xué)的全部潛能的威脅。
總體而言，新發(fā)現(xiàn)的疾病基因?qū)⑴R床外顯子組測序數(shù)據(jù)的分子診斷率顯著提高了近兩倍。像IMPC這樣的雄心勃勃的計劃有意專注于幾乎沒有功能注釋的基因的全面表型化，直接解決了黑暗基因組危機(jī)，并提供了加速人類健康影響的潛力。
在參考人類基因組上注釋的?20,000基因中，只有約21％的基因變異與人類疾病特征有關(guān)（圖2）。
此外，盡管人類和動物（小鼠，大鼠，飛行，魚類和蠕蟲）的模型表型已與約80％的人類基因相關(guān)，而小鼠模型的表型與約60％的人類基因相關(guān)，但其深度和程度 每個基因的表型覆蓋率通常受到限制。
至關(guān)重要的是，對于人類和模型生物而言，對多效性和多發(fā)病的認(rèn)識常常是不完整的，這破壞了對基因功能和疾病機(jī)制的理解。此外，對表型異質(zhì)性及其潛在的潛在遺傳基礎(chǔ)（例如，基因座和等位基因異質(zhì)性，多基因座變異，修飾位點）的了解，以及對多種疾病表型在單個基因基因座上融合，年齡依賴性的外顯率的了解 以及可變表達(dá)方式均受限制。 實驗?zāi)Ｐ椭腥狈w內(nèi)功能性注釋會導(dǎo)致較長的診斷過程，并嚴(yán)重阻礙了針對特定基因產(chǎn)物的分子實體的開發(fā)。
作者們推測，將需要國際社會的集體努力采取四個步驟來推動基因組醫(yī)學(xué)和精密醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。 這四個步驟與體外系統(tǒng)和其他模型生物的全基因組目標(biāo)相關(guān)，將提供對單個基因功能的更深入，更全面的理解，使生物學(xué)資源和數(shù)據(jù)可用于實驗性地破譯疾病。IMPC的2021-2030年戰(zhàn)略（https://www.mousephenotype.org/wp-content/uploads/2019/05/IMPC_Strategy_2021-30.pdf）也圍繞這四個步驟制定。
蛋白質(zhì)編碼基因組的完整功能注釋。 完全喪失功能的突變對于鑒定蛋白質(zhì)編碼基因的表型影響是必不可少的，并且是解釋臨床相關(guān)的人類遺傳變異引起疾病的必要的第一步。 到2021年，根據(jù)IMPC當(dāng)前的任務(wù)授權(quán)，將仍有約9000種小鼠體內(nèi)直系同源基因需要由財團(tuán)進(jìn)行分析。 在基因組中途停止在這一點上，相當(dāng)于人類基因組計劃在組裝了11條染色體的常染色體序列后停止了測序工作。 至關(guān)重要的是，繼續(xù)努力使用小鼠模型完成對其余未注釋蛋白編碼基因的功能分析。建立非編碼基因組的功能評估。 整個編碼區(qū)僅占哺乳動物基因組的3–5％。 其余95％的基因組在各種生物過程中扮演著許多角色，包括DNA復(fù)制，轉(zhuǎn)錄調(diào)控和基因組結(jié)構(gòu)。 特別要注意的是，增強(qiáng)子，沉默子，啟動子和絕緣子的變異對正常和異常基因表達(dá)和基因劑量現(xiàn)象都有重大影響。 為了充分探索基因組最暗部分的體內(nèi)功能，必須實施對保守的非編碼元件的突變進(jìn)行優(yōu)先排序和建模的策略。
將功能生物學(xué)知識轉(zhuǎn)化為臨床知識。基因組學(xué)和精密醫(yī)學(xué)的新興領(lǐng)域依賴于解釋患者遺傳變異的潛在病理生理后果的能力。除了學(xué)術(shù)和研究考慮之外，將人類遺傳變異轉(zhuǎn)化為功能表型和疾病機(jī)制的長期財務(wù)投資是巨大且不斷增長的。預(yù)計政府機(jī)構(gòu)和企業(yè)投資者的全球投資將在10年內(nèi)從790億美元增長至近2000億美元，增長近三倍（https://bisresearch.com/industry-report/precision-medicine-market.html）。例如，來自美國所有人項目，英國生物銀行，英國100K基因組計劃，中國精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計劃等項目的志愿者正在招募志愿者，以收集個人病史，臨床信息，基因組序列和環(huán)境元數(shù)據(jù)，了解基因在健康和疾病中的作用，以便確定分子療法的新靶標(biāo)。為了使這些投資兌現(xiàn)其從分子診斷到管理和治療干預(yù)的改善健康結(jié)果的承諾，有必要將對小鼠和其他動物模型的研究產(chǎn)生的基因功能數(shù)據(jù)整合到臨床數(shù)據(jù)庫中，例如ClinVar，ClinGen，和別的。需要繼續(xù)發(fā)展模型生物數(shù)據(jù)庫，并改善數(shù)據(jù)集成和分析，以使人們能夠?qū)z傳變異和疾病進(jìn)行機(jī)械分析，并支持基因組和精密醫(yī)學(xué)的未來發(fā)展。
實現(xiàn)基因組變異的快速功能評估，并將功能測試整合到臨床決策過程中。雖然目前使用人類患者數(shù)據(jù)的統(tǒng)計推斷來區(qū)分由良性相關(guān)變體引起的疾病，但通常無法獲得確定的分子診斷。即使在這種方法足夠的情況下，診斷的延遲也會在心理，社會和經(jīng)濟(jì)上造成高昂的代價。必須進(jìn)行程序來快速創(chuàng)建和分析人類編碼變體的小鼠模型以及更有效的表型分析方法。這些模型以及其他突變變體將為診斷決策和針對性治療提供依據(jù)。有了這些程序，臨床醫(yī)生及其研究同事可以依靠小鼠模型作為診斷和治療測試平臺，檢查直系同源哺乳動物系統(tǒng)中遺傳變異的病理學(xué)意義，詢問不同類型等位基因的基因/表型關(guān)系（例如， SNV等），探索潛在的基因/環(huán)境影響，并訪問綜合數(shù)據(jù)集以幫助指導(dǎo)臨床決策。反過來，小鼠遺傳學(xué)專家將需要對小鼠模型進(jìn)行針對性的表型快速反應(yīng)，以實現(xiàn)臨床應(yīng)用。有必要優(yōu)化資金，并從小鼠功能數(shù)據(jù)中獲取科學(xué)見解，以指導(dǎo)小鼠模型在人類患者化身中的應(yīng)用，通過電子病歷提供從小鼠數(shù)據(jù)中獲得的知識，并加強(qiáng)臨床醫(yī)生的遺傳學(xué)教育和培訓(xùn)和基因組醫(yī)學(xué)。
盡管在單基因和基因組水平上遺傳學(xué)方面取得了令人難以置信的科學(xué)進(jìn)步，但是集體生物醫(yī)學(xué)界才剛剛開始了解有關(guān)整個人類基因組中功能元件的多種多樣的體內(nèi)病理生物學(xué)作用的知識。 全球小鼠遺傳學(xué)界已準(zhǔn)備好應(yīng)對面臨的巨大挑戰(zhàn)，以充分理解基因和遺傳學(xué)在發(fā)育，生物體內(nèi)平衡，系統(tǒng)生物學(xué)，疾病和醫(yī)學(xué)中的作用，并準(zhǔn)備為系統(tǒng)研究開啟一個新時代 哺乳動物基因組的功能 現(xiàn)在是進(jìn)行人類基因組計劃規(guī)模的深度基因組計劃的時候了，該計劃將從根本上增強(qiáng)整個生物醫(yī)學(xué)科學(xué)的知識基礎(chǔ)。 在小鼠遺傳學(xué)的巨大潛力的推動下，與其他模型生物和體外方法的發(fā)展相關(guān)聯(lián)，該項目將為生物學(xué)，醫(yī)學(xué)和全球健康帶來變革。
