EP 1332020-10-252:34:58 ROUND 3
疾病的電路圖怎麼從遺傳讀出來
Manolis Kellis
Kellis 用肥胖、阿茲海默症與思覺失調症的例子，說明怎麼從一個遺傳位點一路追到組織、變異、調控因子與標的基因，再講 CRISPR、單細胞定序這些讓這件事能大規模做的工具。
Manolis Kellis: Biology of Disease | Lex Fridman Podcast #133在 YouTube 看 ↗
重點6 條
- 遺傳學反過來帶著基礎生物學走：Kellis 說過去是先在小鼠、果蠅身上弄清楚基因功能再回頭看人，現在人類遺傳資訊比任何其他物種都多。他把每個人身上約六百萬個變異看成天然做好的實驗，全世界七十億人就是一個巨大的矩陣。
- 先找組織，才知道從哪裡下手：他們把疾病相關變異對到各組織的活躍調控區，發現糖尿病落在胰島、血壓落在心臟左心室、身高落在胚胎幹細胞。阿茲海默症在腦組織樣本裡完全沒有富集，後來才發現落在微膠細胞，也就是腦裡的免疫細胞。
- 關聯指到的是區域，不是基因：他說與疾病相關的變異有 93% 落在不編碼蛋白質的區域，而且常常控制很遠的基因。FTO 位點就是例子：變異在 FTO 的第一個內含子，真正受控的是 IRX3 與 IRX5，所以有一次研討會上，他被介紹成寫了「2015 年最令人沮喪的論文」的人。
- 肥胖那一條完整的路徑：從間質幹細胞、89 個共同遺傳的變異裡挑出 rs1421085，到 ARID5B 這個調控因子，再到 IRX3 與 IRX5 控制產熱與儲存脂肪的選擇。他說他們在取自風險與非風險個體的脂肪細胞裡，只改一個核苷酸就能在肥胖與瘦的表型之間切換，他自己兩份都是風險等位基因。
- 疾病之間的牆在倒：他說遺傳學不斷揭露意料之外的連結，免疫學家得進來談阿茲海默症，神經科醫師得來談代謝疾病。他認為基因組學家不能再只專精單一疾病，因為各種疾病共用同一套基本電路。
- 工具讓這件事能平行做：機器人篩藥、MPRA 一次測上萬個變異、單細胞 RNA 定序、CRISPR 擾動搭單細胞讀值。他們一年就從人腦產出一千萬個細胞的資料，他認為接下來的醫學會走向系統層級而不是單一基因。
時間軸29 段
Kellis 說人類疾病的複雜度不輸基因組與大腦，而且越懂疾病就越懂基因組、免疫與癌症的複雜。過去是從模式生物推到人，現在是人類遺傳在帶動基礎生物學。
工程師從內部懂系統，科學家靠擾動認識系統。流行病學只看相關，基因擾動則能讓因果方向清楚，進一步問疾病機制才知道怎麼介入。
每個人帶著約六百萬個變異，等於對七十億人各做了六百萬次實驗。樣本夠不夠大要看效應量與變異量，強效應、分布窄的部分現在已經有足夠統計力，這些常常正是疾病的基礎。
以前靠家族譜找孟德爾式突變，現在是幾十萬個無親緣關係的人，搭配上百種表現型甚至電子病歷。Kellis 說對電腦科學家這是最棒的謎題。
生物學家用實驗一層層剝，單細胞定序能分開腦區與細胞型。從變異到阿茲海默症路徑太長，切成調控、表現、細胞功能幾段後，效應更乾淨。
除了脈搏、BMI，數位裝置與認知測驗能量到上百個變數。他說智力不是單一變數，是上百個，各自連到不同基因與腦區。
重要性可以看生活品質衝擊與死亡人數：心臟病每年 65 萬、癌症 60 萬，新冠今年已排到第三。可解的部分他先舉社會層面的食物價格與教育，再說每種病都有遺傳與環境兩塊。
遺傳學給的是機制，機制可以對抗環境因素。他用滿是脂肪的浴缸比喻肥胖：理解代謝的閥門後，可以在別處再開一個洞。
沒有變異的基因反而可能最重要，只是動一點就致死。他主張的標的是基因對疾病影響大、即使變異只改動它一點的那種，藥物就算只有溫和效果也可能很有用。
以他自己有風險的老年黃斑部病變為例，遺傳學指出補體路徑，也就是免疫功能，才發現這是免疫相關的眼疾。補體後來也和思覺失調症裡微膠細胞修剪突觸的異常連上。
用 127 個組織的表觀基因體圖譜，把疾病變異對到活躍調控區。阿茲海默症在七個腦樣本裡零富集，後來才確認落在微膠細胞；知道組織才有辦法做篩藥的檢測。
就像 DNA 統一了生物學，遺傳學正在統一疾病研究。他們最新的圖譜涵蓋 833 種組織，在 540 種疾病中都找到富集，有些疾病在所有組織都亮起來。
Lex 問有沒有疾病版的萬有理論，Kellis 說統一是必然。他用動態規劃說明各疾病該共用同一套電路、不要各自重做，再用「吃自己的狗食」說明建電路的團隊自己也要下去做各種疾病。
多基因關聯給出的是遺傳區域，不是基因。編碼蛋白質的部分只佔基因組很小一塊，疾病變異有 93% 在外面，而調控常常是長距離的。
最強的肥胖關聯在 FTO，大家以為與 RNA 修飾有關。他們的論文指出變異其實控制遠處的 IRX3 與 IRX5，製藥界原本安心地以為只有一個基因的想法被推翻。
先靠表觀基因體富集找出組織。不同位點、不同增強子、不同人的變異，常常收斂到少數幾個生物過程，思覺失調症的例子是鈣訊號。
變異因重組以區塊遺傳，FTO 區有 89 個共同變異。對照各種細胞的圖譜，肥胖變異都富集在間質幹細胞的增強子，他講了脂肪細胞的分化與白脂、米色脂的取捨。
在 89 個變異裡預測 rs1421085 是因果變異，接著找被破壞的模體，再找原本結合那裡的調控因子。後面兩步是找標的基因，以及這些基因做什麼。
實體連結用基因體折疊，遺傳連結看變異如何影響表現，活動連結比對 833 種表觀基因體，最後是直接擾動。折疊技術他用一碗麵條配膠水來說明。
他講 CRISPR 是細菌對病毒的免疫系統，優格業先發現。切斷後靠細胞自己的同源修復，丟入想要的片段即可編輯。他認為突破在於導引，比起鋅指蛋白與 TALEN，只要輸入 RNA 序列。
ARID5B 平時壓抑一個超大增強子，使 IRX3 與 IRX5 關閉。這兩個基因控制產熱與脂肪儲存的選擇，Kellis 說他自己兩份都是風險等位基因，無法開啟產熱。
一個位點花了整個團隊多年，要做數千個就得靠機器人篩藥與平行讀值。MPRA 可一次測上萬個變異，變體 HiDRA 到七百萬個，STARR-seq 把增強子放進基因本身當讀值。
孔盤、微滴、大瓶子三代做法，最後一種把細胞隨機洗牌三次分進一百個瓶子，每個細胞得到獨特條碼。腦樣本上他們一年產出一千萬個細胞，涵蓋一打疾病。
Kellis 說傳統一次一個基因的生物學不夠，需要懂生物的電腦科學家。單細胞定序還可搭配 CRISPR 擾動庫，每個細胞接受一種擾動，一次實驗同時讀出結果。
他說從發現到療法的時間已縮到約十年，治癒的可能只是時間問題。新一代的擾動包括針對細胞型的合成生物學電路，例如用 microRNA 感測腫瘤環境。
思覺失調症的四個調控因子連起突觸修剪與早期發育，運動與營養的多組織研究，十種微膠細胞，以及阿茲海默症沿腦區推進的時間模型，目的是早期診斷。
合子分裂後累積的體細胞突變讓腦成為嵌合體。他們用單細胞資料推斷每個細胞的突變，發現體細胞變異指向神經元能量代謝與少突膠質細胞，和共同變異不同。
他說人類的代謝、免疫、大腦與壽命都跟近親差很多，大腦的能量需求大，晚年疾病因此冒出。把壽命推到更長就像改車：從時速 70 英里改到 120，修幾個零件就好；要到 400 就得整台重新設計。
結合藥物設計的 AI、多基因風險分數、細胞型專一的遞送。他解釋「標的上副作用」：藥打中了對的基因，但該基因本身多功能，下一步要在網路層級介入。