全基因组关联研究已成功鉴定出数千个与复杂疾病相关的遗传位点，但将这些关联转化为对疾病机制的理解仍然是一个巨大挑战。大多数风险变异位于非编码区，其效应具有细胞类型和上下文特异性。人类多能干细胞可以分化为理论上任何细胞类型，使其成为研究人类生物学的强大体外模型。将这些细胞与单细胞测序技术相结合，可以在细胞分化或实验操作过程中识别上下文依赖的遗传效应。

2024年5月13日，加文医学研究所和斯隆-凯特林研究所等机构的研究人员在《自然-遗传学》上发表了一篇重要前瞻性文章，讨论了干细胞生物学、群体遗传学和细胞基因组学的交叉如何帮助解析人类遗传变异的功能后果。文章审视了整合这些领域的关键挑战以及成本效益和实际扩展的方法，并重点强调了两个特别能从群体规模的人多能干细胞研究中受益的领域：阐明复杂疾病风险位点背后的机制，以及评估常见遗传变异与药物治疗表型之间的关系。

核心内容：一个整合的研究框架

该综述的核心价值在于，它提出了一个将人类多能干细胞作为“人类疾病体外模型系统”来连接遗传关联与分子功能的路线图。

1. 范式转变：从“基因型-表型”到“基因型-细胞-表型”

传统的遗传学研究通常直接在人体中测量表型（如血压、身高、疾病状态），这受到伦理和实际因素的限制，且难以在疾病相关组织中测量分子中间表型（如基因表达）。该综述提出的框架包括四个步骤：

• 步骤一：从具有不同遗传背景（基因型）的大量个体中衍生出人诱导多能干细胞系（一个“细胞库”）。

• 步骤二：将这些诱导多能干细胞分化为疾病相关的细胞类型（如心肌细胞、多巴胺能神经元、肝细胞）。

• 步骤三：在分化过程中或终末分化后，对该“细胞群”进行单细胞多组学分析（如单细胞RNA测序、单细胞ATAC测序、单细胞Hi-C等）。

• 步骤四：将遗传变异（基因型）与分子表型（如基因表达、染色质可及性）关联起来，识别动态的、细胞类型特异性的表达数量性状位点和染色质数量性状位点，并从统计学上将它们与疾病全基因组关联研究信号连接起来。

2. 关键方法学创新：“细胞村”策略

传统的群体规模人多能干细胞研究需要对每个细胞系进行单独培养和测序，成本高昂且受批次效应影响。最新的“细胞村”（Cell Village）方法解决了这一问题：

• 原理：将来自数十甚至数百个供体的诱导多能干细胞（或其后代分化细胞）以相等比例混合在一起，在同一个培养皿中共同培养和分化。

• 识别身份：在单细胞测序后，利用每个供体特有的自然遗传变异（或引入的基因型条形码）将每个测序细胞“分配”回其原始供体。

• 优势：成本显著降低（一次实验分析数百个个体），批次效应被消除（所有细胞在同一环境中），且可进行大规模平行扰动（如药物处理）。

3. 应用一：解析复杂疾病风险位点的机制

群体规模的人多能干细胞研究特别适用于分析那些在疾病相关细胞类型中起作用的调控变异。

• 案例研究：将200多个供体的诱导多能干细胞分化为心肌细胞，分化为成熟心肌细胞的过程中进行单细胞RNA测序。研究鉴定出仅在心肌细胞分化后期才出现效应的表达数量性状位点，而这些表达数量性状位点在未分化的诱导多能干细胞中不存在。将这些表达数量性状位点与冠状动脉疾病全基因组关联研究信号共定位，可精确指向致病的效应基因和细胞状态。

• 优势：传统的批量组织表达数量性状位点（如GTEx）无法区分细胞类型特异性，而单细胞表达数量性状位点可在同一组织内区分不同细胞类型（如心肌细胞 vs. 成纤维细胞 vs. 内皮细胞）的调控效应。

4. 应用二：评估遗传变异与药物治疗表型的关系

人多能干细胞分化来源的细胞在药物研发（“培养皿中的临床试验”）中具有巨大潜力。

• 药物反应的全基因组关联研究：通过测量来自不同供体的分化细胞对药物的反应（如细胞活力、基因表达变化、电生理参数），并将这些药物反应表型与供体的遗传变异进行关联分析，可以鉴定出预测药物疗效或毒性的遗传标记。

• 案例研究：使用来自100个供体的诱导多能干细胞分化的心肌细胞，测量多柔比星（一种化疗药物）诱导的心肌细胞死亡。全基因组关联研究鉴定出与心脏毒性相关的RARG变异，该发现已转化为临床筛查。

• 超越传统药物基因组学：传统的药物基因组学研究依赖于患者队列（通常受样本量和混杂因素限制）。人多能干细胞模型允许在受控环境中，在标准化条件下测量药物反应，并研究反应的细胞自主性机制。

挑战与未来方向

尽管前景广阔，该领域仍面临主要挑战，并指明了未来方向：