自身免疫性
和
炎症性疾病
发病率的上升对人类健康构成了日益严重的威胁。现有治疗方法的疗效有限和药物开发过程中的高失败率使情况更加复杂，这突出表明迫切需要更好地了解疾病机制。在这里，我们展示了功能基因组学如何应对这一挑战。通过研究chr21q22上的一个基因间单倍型——该单倍型与炎症性肠病、强直性脊柱炎、原发性硬化性胆管炎和大动脉炎独立相关——我们确定了致病基因ETS2是人类炎症巨噬细胞的中心调节因子，并描述了放大ETS2表达的共同疾病机制。由ETS2调节的基因在患病组织中显著表达，并且比大多数先前描述的途径更富集炎症性肠病GWAS命中。静息巨噬细胞中过表达ETS2再现了在chr21q22相关疾病中观察到的炎症状态，多种药物靶点上调，包括TNF和IL-23。使用细胞特征数据库，我们确定了可能调节该途径的药物，并在体外和离体验证了一类小分子的强效抗炎活性。总之，这说明了直接应用于原代人类细胞的功能基因组学在识别免疫介导的疾病机制和潜在治疗机会方面的力量。
近5%的人类患有自身免疫性或炎症性疾病。这些异质性疾病，从克罗恩病和溃疡性结肠炎（统称炎症性肠病）到银屑病和狼疮，都需要更好的治疗，但只有10%的进入临床开发的药物成为批准的治疗方法。这种高失败率主要是由于缺乏有效性，反映了我们对疾病机制的了解不足。遗传学为解决这一问题提供了一个独特的机会，目前有数百个基因座与免疫介导疾病的发病机制直接相关。事实上，靶向遗传途径的药物有效的几率要高得多。
然而，为了充分认识遗传学的潜力，必须将风险变异所在的知识转化为对它们如何驱动疾病的理解。动物模型可以帮助实现这一点，特别是对于保守基因的编码变体。不幸的是，大多数风险变体不在于编码DNA，而是位于保守度较低的非编码基因组区域。解决这些基因座的生物学问题是一项艰巨的任务，因为同一DNA序列的功能可能因细胞类型和/或外部刺激而不同。大多数非编码变体被认为会影响基因调节，但难以识别可能位于数百万个碱基之外的因果基因，以及可能仅在某些条件下表达相关基因的因果细胞类型，阻碍了识别疾病机制的努力。例如，尽管全基因组关联研究（GWAS）已经确定了240多个IBD风险位点3，包括几个可能的药物靶点，但只有不到10个位点得到了机制解决。
Molecular mechanisms at chr21q22
一些基因变异易患多种疾病，这突出了它们的生物学重要性和研究共同疾病机制的机会。一个值得注意的例子是染色体21q22上的基因间区域（chr21q22），其中主要等位基因单倍型易患五种炎症性疾病。由于缺乏编码基因，这些区域最初被称为“基因沙漠”，通常包含GWAS命中，但人们对此知之甚少。为了测试共同的疾病机制，我们进行了共定位分析，并确认每种疾病的遗传基础是相同的，这意味着共同的因果变异和共同的分子效应是罪魁祸首（图1a和扩展数据图1）。由于这些异质性疾病都是免疫介导的，我们推断该基因座必须含有在免疫细胞中发挥作用的远端增强子。通过检查标记活性增强子和启动子的H3K27ac染色质免疫沉淀-测序（ChIP–seq）数据，我们在基因座内鉴定了单核细胞/巨噬细胞特异性增强子（图1b）。单核细胞和巨噬细胞在许多免疫介导的疾病中发挥着关键作用，产生的细胞因子通常是治疗靶向的。
Macrophage inflammation requires ETS2
ETS2是一种ETS家族转录因子和原核，但其在人类巨噬细胞中的确切作用尚不清楚，之前的研究使用细胞系或复杂的小鼠模型，并评估了有限数量的潜在靶标。这导致了相互矛盾的报道，ETS2被描述为巨噬细胞发育的必要和冗余，以及促炎和抗炎。为了阐明ETS2在人类巨噬细胞中的作用，并确定ETS2表达失调如何导致疾病，我们首先使用了基于CRISPR–Cas9的功能丧失方法（图2a）。为了控制脱靶效应，设计、验证了两种靶向不同ETS2外显子的gRNA，并将其分别掺入Cas9核糖核蛋白中，用于转染原代单核细胞。这些分别在约90%和79%的细胞中产生靶向编辑，并有效降低ETS2的表达（扩展数据图2d–f）。细胞活力和巨噬细胞标志物表达不受影响，这表明巨噬细胞存活或分化不需要ETS2（扩展数据图2g，h）。相比之下，ETS2破坏后，促炎细胞因子的产生，包括IL-6、IL-8和IL-1β，显著减少（图2b），而IL-10——一种抗炎细胞因子——受到的影响较小。未评估TNF，因为它是外源性添加的。接下来，我们研究了其他巨噬细胞功能是否受到影响。使用可通过流式细胞术检测的荧光标记颗粒，我们发现在ETS2破坏后吞噬作用也受到了类似的损害（图2c）。我们还测试了细胞外活性氧（ROS）的产生——这是炎症组织损伤的主要原因。破坏ETS2大大减少了巨噬细胞的氧化爆发——很可能是通过减少关键NADPH氧化酶成分的表达（图2d和扩展数据图5a）。总之，这些数据表明ETS2对人类巨噬细胞的多种炎症功能至关重要。
