肥胖是一种常见的身体机能失调，其主要负面作用是导致肥胖者罹患疾病和死亡。遗传因素在很大程度上决定了一个人能获取多少能量，其中又有多少转化为脂肪，而这又与肥胖发生风险相关。在一项针对早期发生的重度肥胖患者的调查中发现，有20多个基因会对身体质量指数（BMI）产生较大影响，并且在大人群中进行的全基因组关联分析（GWAS）已经发现了数百个基因会导致肥胖，尽管相比那20多个基因，这些基因对肥胖发生所起的作用稍小。在这项调查的报告中，阿克巴里（Akbari）等人写道：通过全基因组测序发现，影响BMI的罕见基因突变存在于超过600 000来自英国、美国、墨西哥的人中。作者发现，在一些基因中罕见的非同义突变与BMI相关，进而深入探讨了与人类肥胖相关的基因组。

调控食欲的基因突变对人的体重有强大影响，也因此不同人的体重有显著差异

当2003年“第一版”人类基因组发布时，有人乐观地认为这项研究将像地图一样告知我们许多疾病更优的治疗方法。常见突变的全基因组关联分析划时代地改变了我们对许多常见疾病和遗传特征的基因组结构的理解，但在了解突变关联之后，搞清准确的致病机制则更具挑战性。大多数与疾病相关的基因多态性存在于基因组的非编码区，因此我们很难识别致病基因，并且即使成功识别一个或多个致病基因，建立模型描述致病基因的工作方式和确切的对表型的影响也是十分困难的。进一步来说，许多致病基因在非编码区的变异会影响疾病易感性，这些突变也能产生多种效果，有些效果则在发育的过程中起到作用。通过药物控制这些基因产物的可能性在这些因素的影响下降低了。

相比位于内显子的突变，我们较少发现通过破坏基因中的蛋白编码元件（外显子）导致疾病或让个体对疾病易感。直到现在，这些研究仍然依赖于发病率相对较高但仍十分罕见的极端表型。尽管如此，这些突变仍为我们提供了很多信息，因为他们主动标识出了致病基因，而我们能够迅速建立机制模型来描述这个基因对功能的影响方式。阿克巴里等人阐述了大规模寻找这些基因的效果。尽管BMI并不是一个完美的用于测量肥胖的指标，但在大人群中BMI和躯体脂肪测算的结果有较好的相关性。这是一个容易测量且稳定的表型，反映出一个人一生中累积的能量出入的不平衡。

作者发现，在16个基因中，外显子中罕见的非同义突变在全基因组水平上与BMI相关。其中4个基因，黑素肾上腺皮质激素（MC4R），前蛋白转化酶枯草溶菌素1（PCSK1），G蛋白偶联受体151（GPR151），胃抑制性多肽受体（GIPR）均在之前就被报道过。这些基因全部在中枢神经系统内高表达并影响食欲。GIPR和GPR151都编码G蛋白偶联受体，而这两个基因中发生的无功能杂合突变则与大人群研究中相对较低的BMI相关。PCSK1和瘦素是最先被发现的两个直接与人类肥胖相关的基因。通过更广泛地研究直接被瘦素调控的信号通路中的关键元素，作者发现瘦素、阿黑皮素原的杂合突变以及PCSK1直接和较高的BMI相关，尽管并不是所有基因都有外显子水平的统计学意义。但是，瘦素受体的杂合突变与较高的BMI不相关。

我们已经明确了MC4R无功能突变对脂肪含量升高起到很大的作用。这是最常见的与肥胖相关的基因突变。阿克巴里等人展示了关于MC4R的一些罕见突变对肥胖发生风险的影响，提示MC4R的单一等位基因不足性是导致肥胖的推手，而这一突变在墨西哥的出现频率是英国的7倍。受这一基因变异影响的人数和这些人BMI被影响的程度很有可能被作者在一定程度上低估了，尤其是在英国的人群中。他们使用了十分严格的生物信息学标准来评估一个突变是否可能破坏该基因原先的生化功能，但他们并未通过实验明确所有变异对功能的影响。他们可能因此排除了许多影响功能并会导致BMI升高的变异。除此之外，这项研究中所使用的英国生物样本库的数据比英国总人群更精瘦健康。一项近期的报告表明，在同期出生的未经选择的英国人群，尤其是年轻人中，MC4R无功能突变对BMI的影响可能比阿克巴里等人认为的要高。

阿克巴里等人发现的另外12个基因在此前并未与BMI联系在一起。这些基因大多数在下丘脑中高表达，印证了先前所认为的：大多数与肥胖易感性有关联的基因与控制食欲和能量代谢平衡的那部分中枢神经系统相关。在这些基因中，GPR75是一个G蛋白偶联受体，其天然配体是C趋化因子C-C模体趋化因子5（CCL5）或者类花生酸20-羟-二十烷四烯酸（20-HETE）。作者称，每10 000个个体中有4个GPR75基因发生的杂合变异是一种无功能突变，携带这个突变的人群比普通人的BMI平均低1.9 kg/m²。通过研究敲除了GPR75的小鼠，作者发现这种小鼠比野生型小鼠在同样吃高脂食物的条件下体重增长更少。Gpr75-/+杂合子小鼠比同窝出生的野生型小鼠体重增长低25%，而Gpr75-/-纯合子小鼠比同窝出生的野生型小鼠体重增长低44%，所以这一现象是等位基因数量依赖的。

尽管尚不清楚这些小鼠体重偏低的原因是能量摄入还是能量使用，或是两者均有，这项研究明确了GPR75参与能量代谢平衡的调控，并且抑制GPR75会导致体重减轻。CALCR是降钙素原和淀粉纤维素的受体，CALCR的突变和人群中的肥胖倾向以及肥胖发生风险相关。这是一个值得注意的现象，因为淀粉纤维素类似物可以通过大脑中表达的CALCR降低啮齿类动物和人类的体重。

阿克巴里等人所做研究的主旨不仅仅在于肥胖和体重控制。外显子大规模测序提升了我们深入探究罕见等位基因中功能缺失的等位基因出现频率范围的能力，因为它绕过了全基因组关联分析中必然存在的矛盾：辨识致病基因和决定不同致病因素之间的因果关系。在例如肥胖或高血压等持续存在的疾病中，外显子大规模测序也能帮助我们发现一些具有保护作用的等位基因。

人类外显子大规模测序很可能会成为将来研究各种哺乳动物生物学机制越发重要的切入点。许多生理学机制在哺乳动物中具有普遍性。在以前，科研工作信息流的方向一般是单向的，即先在动物模型中发现生理学机制，然后在人类中进行确认。而目前信息流的方向正逐渐从单向变为双向。通过组织特异性和即时控制的基因调控来仔细分析动物体内的生理机制仍将是研究工作中十分强大的工具。但是当我们研究疾病时，疾病的致病机制相比生理机制具有更强的物种特异性。所以如果一个人想要寻找一个可以用于治疗人类疾病的靶基因，他需要专门寻找智人种的基因。使用全基因组关联分析寻找致病基因本身的挑战性以及这项技术迄今为止不多的科研产出已经产生了一些怀疑的声音，他们质疑人类遗传学是否能点亮生物学点发展的道路。

阿克巴里的研究清楚地说明了，如果能够发现足够多人类身上罕见的对功能有影响的等位基因，并且能够得到相关表型的信息，那么我们就能高效地获得新的强大的生物学进展，并且这些进展具有转化为实际产品的潜力。

资料来源 Science