隨著人類基因組變異研究的不斷深入，有越來越多的純合LoF變異被證實不會導致明顯的臨床表型。這篇文章針對高頻純合LoF變異進行了深入探究，發現一部分變異所在的基因存在冗餘，還有一部分變異可能對人體有益而出現了正向選擇效應。這項研究提示我們，在之後的基因組研究中可以減少對這些LoF變異的致病性的考慮，同時這些變異的發現可能為某些疾病提供新的治療思路。

研究背景

在進行人類基因組變異檢測的時候，往往能夠檢測到數以萬計的變異，其中包含預測為基因功能缺失（LoF）的雜合或純合變異。以往的研究更多地關注於罕見LoF變異。但也有個別研究證實，某些基因對高頻純合的LoF變異耐受。本次解讀的文獻［1］，針對高頻的純合LoF變異展開深入的基因組特徵研究，這有助於鑑定人類非必需編碼基因以及揭示潛在的進化趨勢。

一。非必需基因的確定及其特徵分析

基於Ensembl資料庫的基因和ExAC、gnomAD資料庫的變異，透過對假基因、低質量變異進行過濾，並保留在東亞、南亞、非洲、歐洲和美洲的任一人群中變異頻率大於1%的高可信度純合LoF變異，文章首先確定了假定的非必需基因（dispensable genes）。除此之外，作者還手動過濾了預測錯誤的LoF變異和非LoF致病機制的基因。最終得到了166個假定的非必需基因和179個LoF變異。對這些基因進行GO富集分析，發現其中25%的基因富集到嗅覺受體（olfactory receptor， OR）基因中。而根據以往研究表明，OR基因是一類存在大量假基因且能夠容忍有害變異發生的基因，它們表現出非常寬鬆的負選擇約束

［2-3］

。

二。非必需基因在組織器官中的

表達特徵

為了探究假定的非必需基因在人類基因組中的必要性，作者分析了這些基因在各個組織器官以及白細胞中的表達情況。器官的表達資料來自Illumina Body Map（IBM）專案和 Genotype-Tissue Expression （GTEx）專案，白細胞的表達資料來自 BluePrint專案。透過分析發現：88%的非必需OR基因在任何組織器官中都不表達，與OR基因總體的表達模式一致。而在非OR基因中，有966個基因在任何一個數據集中都不表達，這些基因與非必需基因有很高比例的交集。這些結果表明，

假定的非必需基因和OR基因在人類基因組中都是非必要的

。

對白細胞的基因表達分析發現，超過9000個必需基因以及24個假定的非必需基因在白細胞中表達。在這些假定的非必需基因中，有16個基因出現了LoF的變異，包括已經證實為冗餘基因的TLR5上的截斷變異，以及參與對非洲錐蟲防禦的基因APOL3上的變異。研究結果表明，

在白細胞中廣泛表達的基因通常比較重要，但是對於具有特定免疫功能的基因而言，作者推測可能由於功能冗餘或者正向選擇使其對LoF變異耐受

。

三。非必需基因的負向選擇與正向選擇

作者首先研究了這些假定的非必需基因的負向選擇情況，發現假定的非必需基因比必需基因對非同義變異更耐受，OR基因也比非OR基因對非同義變異更耐受（圖1）。此外，分析還發現假定的非必需基因比必需基因有更多的同源物，OR基因的同源物數量在必需和非必需分類中裡面沒有顯著差別。

由以上分析結果可以看出，

大部分的OR基因可能存在功能上的冗餘，假定的非必需基因比必需基因對LoF變異更耐受，表現出更為寬鬆的選擇約束

。

圖1 非必需基因的負向選擇評估

GDI：基因損害指數，該值越高表示基因損害越嚴重；RVIS：殘差變異不耐受評分，該值越高表示基因對變異越耐受；pLI：基因對LoF不耐受度，該值越接近1表示基因對LoF變異越不耐受；pRec：基因對純合LoF變異的不耐受度，該值越接近1表示基因對純合LoF變異越不耐受；SniPRE：非致死的非同義突變比例，該值越高表示基因對非同義變異越耐受；GerpRS：物種間保守值，值越高表示該位點越保守。

透過對LoF變異在不同人群中的最大頻率統計，可以看出LoF變異的人群頻率越高，越有可能在更多人群中出現（圖2）。於是作者進一步提出假設：某些LoF變異發生頻率較高可能是由於基因功能缺失賦予了其進化選擇優勢。作者使用了兩種中性統計分析進行探究，發現有8個變異得出了一致結果，其中2個變異已在過往研究中發現具有正向選擇作用，分別是發生在FUT2 和 APOL3 上的LoF變異rs601388和rs11808978。由此推斷，

儘管正向選擇的變異在人類基因組中並不常見，但是當基因功能缺失是一種選擇優勢的時候，可能會增加這些基因上LoF變異的發生頻率

。

圖2 LoF變異的最大頻率分佈

總結

透過對LoF變異在不同人群中的最大頻率統計，可以看出LoF變異的人群頻率越高，越有可能在更多人群中出現（圖2）。於是作者進一步提出假設：某些LoF變異發生頻率較高可能是由於基因功能缺失賦予了其進化選擇優勢。作者使用了兩種中性統計分析進行探究，發現有8個變異得出了一致結果，其中2個變異已在過往研究中發現具有正向選擇作用，分別是發生在FUT2 和 APOL3 上的LoF變異rs601388和rs11808978。由此推斷，

儘管正向選擇的變異在人類基因組中並不常見，但是當基因功能缺失是一種選擇優勢的時候，可能會增加這些基因上LoF變異的發生頻率

。

參考文獻：

A。 Rausell， Y。 Luo， M。 Lopez， et al。， Common homozygosity for predicted loss-of-function variants reveals both redundant and advantageous effects of dispensable human genes。 PNAS。 117（24）：13626-13636 （2020）。

Y。 Gilad， D。 Lancet， Population differences in the human functional olfactory repertoire。 Mol Biol Evol。 20（3）：307-14 （2003）。

D。 Pierron， N。 G。 Cortés， T。 Letellier， L。 I。 Grossman， Current relaxation of selection on the human genome： Tolerance of deleterious mutations on olfactory receptors。 Mol Phylogenet Evol。 66（2）：558-64 （2013）。