撰文 | 呆头鹅
责编 | 兮
人的身高是由哪些遗传位点决定的呢？这个问题一直困扰着遗传学家。在近十多年来，基于大规模人群基因组研究发现了很多影响身高的遗传位点。比如，带有KCNQ1基因上一个内含子变异（rs150199504）的撒丁岛人（Sardinian islanders）比没有带有这个变异的撒丁岛人要平均矮上 1.8厘米【1】；带有 FADS3基因上一个内含子变异（rs7115739）的格林兰因纽特人（Greenland Inuits）比没带这个变异的格林兰因纽特人要平均矮上 1.9厘米【2】。
近日， 哈佛大学的Soumya Raychaudhuri教授和合作者在Nature杂志上发表了题为“A positively selected FBN1 missense variant reduces>” 文章，报道了秘鲁人群（Peruvian）中的一个变异，携带这个变异的秘鲁人要比没有携带的要平均矮了 2.2厘米。这也是有史以来所知道最影响身高的非致病变异。
GWAS分析定位变异位点
位于南美洲秘鲁人是世界上身高最矮的人群之一，成年男性的平均身高是165.3 厘米，而成年女性的平均身高是152.9 厘米。秘鲁人有着复杂的基因组成，是十六世纪来自欧洲，非洲，和亚洲的移民和美洲土著混合的后代。在这项基于秘鲁人的GWAS研究中，一共使用了 3,134个体。在排除年龄，性别，非洲祖先成分和亚洲祖先成分比例，人群结构和环境等因素后，Soumya博士团队发现秘鲁人中美洲土著成分与身高有显著的负相关（p-value = 7.2 * 10^-43）。
为了找到决定身高性状的变异，Soumya博士团队对这 3,134个体进行GWAS分析。他们找到了FBN1基因上五个高度连锁的单核苷酸多态性位点（single-nucleotide polymorphisms， SNPs）（图1），其中有四个是在内含子变异，一个是可以改变氨基酸序列的错义变异（missense variant）------ rs200342067*C。同时，Soumya博士团队在另外三个数据集中（样本量分别为598，31,214 ，和31,214 ）重复验证了这个变异与身高的关联性。
图1: GWAS P值的曼哈顿图(-log10)。15号染色体上一个位点通过了显著性阈值（P <5×10-8，n = 3，134）。
变异位点的自然选择分析
Soumya博士团队进一步探索自然选择在FBN1基因上的影响。他们发现携带rs200342067*C的单倍型要比基因组中99.2%携带相同基因频率的中性变异的单倍型延伸得更远（图2），并且用计算机模拟进一步验证了这一结论。由于自然选择信号在这个位点上并不明显，那么，长单倍型可能是其邻近受选择的基因造成的。为了验证这一猜想，Soumya博士团队进一步研究了受到正向选择rs12441775位点和 SLC24A5基因。rs12441775位点在rs200342067 下游77kb处，在所有非洲以外人群中都都受到了正向选择，这其中也包括秘鲁人群；而 SLC24A5基因在rs200342067 上游266 kb处，其在皮肤色素形成和调节中起关键作用。研究结果表明rs12441775位点和 SLC24A5基因和rs200342067*C并没有明显的连锁性，也就是说，携带 rs200342067*C的长单倍型并不是邻近受选择位点造成的。考虑到rs200342067*C变异时间非常近（484代，95%置信区间为373-605），所以最合理的解释是rs200342067*C变异在秘鲁人中受到了弱的正向选择。Soumya博士团队还发现，rs200342067*C在靠近海岸的秘鲁人群中要比安第斯山脉和亚马逊的秘鲁人群中的基因频率更高，暗示着rs200342067*C的扩散可能是适应海岸环境的结果。
图2：b, rs200342067周围1.2 Mb区域的iSAFE图（n = 3,134）。点表示与rs12441775的连锁不平衡的变异（红色钻石）;红色，青色和蓝色垂直线分别表示rs200342067，rs12441775和rs1426654的物理位置。e，带有rs200342067 * C变异的单倍型的EHH图（红线，n = 297个单倍型）与带有2,380个与基因组中性区域重叠且具有与rs200342067 * C类似的频率的变体的单倍型的EHH图（4.7±1％;灰线）。
FBN1基因 rs200342067*C变异的临床结果
rs200342067变异发生在 FBN1基因的31号外显子上，核苷酸由T变为C。这个变异用大的带负电荷的谷氨酸替代了甘氨酸，甘氨酸是由FBN1编码的原纤维蛋白1（fibrillin 1）中最小的氨基酸。为了研究这个变异的临床表现，Soumya博士团队对11个个体进行了进一步地检测。这11个个体中，有两个体带有纯合变异基因型（C/C），有两个个体带有杂合变异基因型（T/C），还有7个个体不带有变异基因型（T/T）。
肌肉骨骼检查没有发现个体之间的差异。全身皮肤检查评估显示，具有C/C基因型个体的皮肤明显较厚，并且看起来比指定年龄大。免疫组织化学染色显示，一个具有C/C基因型个体从真皮-表皮交界处进入真皮（乳头状）的微纤维投影较短，而真皮深层的纤维蛋白1沉积较少。扫描电子显微镜分析显示 （图 3），具有C/C基因型个体的微纤维堆积不紧密，边缘不规则，微纤维嵌在密度较小的胶原束中。总之，这些实验表明rs200342067*C变异会改变皮肤中微原纤维沉积物的数量和结构。但是，FBN1变异如何影响到微纤维结构和身高的细胞机制还需要进一步地研究。
图3：皮肤中原纤维蛋白1的电子显微镜检查。a，c是从具有rs200342067 T / T基因型的两个个体获得的样品的真皮-表皮交界处的电子显微镜图像。b，d，从具有rs200342067 C / C基因型的两个个体获得的样品的真皮-表皮连接处的电子显微镜图像。与具有T / T基因型的个体相比，具有C / C基因型的个体具有短的，破碎的和密集的微纤维，具有不规则的边缘，并且它们的微纤维被包埋在密度较小的胶原束中。红色箭头显示微纤维束的边缘。放大倍率11,000倍。比例尺，1μm。
总之，Soumya博士团队发现了FBN1基因上一个可以改变氨基酸的变异rs200342067*C， 携带这个变异的秘鲁人要比没有携带的要平均矮了 2.2厘米。这个变异会改变皮肤中微原纤维沉积物的数量和结构，其在秘鲁人群中扩散可能是适应海岸环境的结果。这个变异如何影响到微纤维结构和身高的细胞机制还需要进一步地研究。
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2302-0
制版人：老翅膀
参考文献：
1. Zoledziewska, M. et al.>Nat. Genet.47, 1352–1356 (2015).
2. Fumagalli, M. et al. Greenlandic Inuit show genetic signatures of diet and climate adaptation.Science349, 1343–1347 (2015).
