全基因组关联研究（Genome-Wide Association Studies，GWAS）是指在基因组水平进行大量样本与复杂疾病和性状的关联性分析，从而全方位地分析疾病的发生发展机制，筛选出与疾病相关的致病基因及变异位点，即单核苷酸多态性（SNP）。在GWAS分析中，为了体现所分析的疾病和性状的遗传结构，研究人员往往需要收集大量相关样本，因此这类研究普遍耗费大量的经济和人力成本。此外，由于收集传染性疾病患者样本具有挑战性以及缺乏明确定义的健康对照组样本，传染性疾病相关的GWAS研究非常具有挑战性。

与此相比，基于细胞培养的实验平台由于其可控性，能够较大限度地减少个体间由于生活习惯、饮食和环境等引起的差异，因此可以使用相对较小的样本规模进行GWAS研究，并能够为传染性疾病的研究提供安全的实验平台和精准的分析结果。与传统GWAS研究使用的淋巴细胞系相比，诱导多能干细胞（iPSCs）的基因组更稳定，能够更真实地反映个体的遗传信息。此外，iPSCs 能够分化为疾病相关的各种细胞类型，能更好地模拟GWAS相关疾病。最后，基于 CRISPR 的基因编辑技术可以将基因敲除或SNP定点突变引入iPSCs，能够提供一个高通量平台，从功能上验证GWAS 研究中鉴定的疾病相关SNP和基因。

在最新这项研究中，团队筛选了 77 个 hiPSCs 细胞系对 ZIKV 感染的敏感性。结果表明，不同个体来源的iPSCs对寨卡病毒的敏感性不同。结合GWAS分析，团队确定了 NDUFA4及其相关SNP与 ZIKV 感染的易感性相关。为了研究NDUFA4在病毒感染中的功能，团队利用CRISPR-Cas9对hiPSC 进行基因编辑，构架了NDUFA4-/- iPSCs，携带非风险等位基因（T/T; T/T）与风险等位基因（G/G; C/C）的iPSCs，以及敲除NDUFA4顺式调节区域的NDUFA4Δ iPSCs，从而研究了NDUFA4、SNP（rs917172和rs12386620）以及NDUFA4的顺式调节区域在ZIKV 感染中的确切作用。团队发现，在不同iPSCs中，NDUFA4的表达量与ZIKV的感染程度呈正相关。此外，团队还将iPSC分化为ZIKV感染相关的脑类器官（cerebral organoids），发现在不同iPSCs分化而来的脑类器官中ZIKV 的易感性与在不同iPSCs中一致，具体体现在在NDUFA4敲除或者低表达（T/T; T/T）以及敲除NDUFA4顺式调控元件的细胞中，病毒感染水平显著降低。

图文摘要

除了ZIKV，团队还发现 NDUFA4 的缺失或减少也可导致其他黄病毒如登革病毒（DENV） 感染减少。利用iPSCs分化的肺类器官，团队同样发现NDUFA4 的缺失或减少同样导致新冠病毒（SARS-CoV-2）感染水平的降低。对比健康人和 COVID-19 患者肺组织的转录组结果，发现COVID-19 患者肺组织中 NDUFA4 的表达水平比未感染者更高。机制研究表明，NDUFA4 的缺失或减少会诱导线粒体应激，引起胞质内线粒体DNA的泄漏，从而导致先天免疫系统可以识别冗余的线粒体 DNA，诱导I 型干扰素信号通路上调以阻断病毒感染。

本研究首次构建了基于hiPSCs 开展 GWAS研究的平台，该平台快速高效，低成本，不过分依赖样本数量，能够系统地评估遗传变异与疾病的关联。该研究还鉴定了NDUFA4及其相关位点/调节元件在病毒感染中的作用及机制。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.09.008