摘要
背景
气候变化是当今对人类健康最大的挑战之一，通过多种机制损害人类健康。其中相对较少被研究的机制与个体基因组变异有关。我们的目标是探讨这种可能性。
方法
通过一种明确的、不带偏见的文献回顾方法，我们整理出了具有功能特征的温度依赖性效应的人类遗传变异体，我们将其称为“热量型变异体”（calortypic variants），其中一些与温度敏感的疾病表型相关。接下来，我们检查了这些变异体在全基因组测序的罕见疾病队列中的出现情况，并分析了它们相关的表型。最后，我们在星形胶质细胞模型中进行了转录组分析，以研究短期暴露于升高环境温度的影响。
结果
我们识别出65个热量型基因中的159个热量型变异体；大多数（66.7%）热量型变异体导致了温度敏感的疾病表型，其中44.7%出现在神经系统和神经发育疾病中。在参与Genomics England（GEL）100,000 Genomes罕见疾病项目的39,834名参与者中，也发现了热量型变异体。在8名GEL参与者中记录了与温度相关的表型；在6名参与者（2名患者及其4名亲属）中，热量型变异体已被确定为致病变异体。在不同温度暴露下研究的人类星形胶质细胞转录组中，基因表达的变化显著涉及与细胞外基质维持、炎症、免疫反应和能量代谢相关的基因，这些过程在各种神经疾病中都有体现。
结论
基因变异可能会产生仅在环境温度升高时才会显现的潜在表型，某些神经系统疾病群体尤为明显。这是一项探索性研究。识别更多的热量型变异体将有助于揭示人类对气候变化影响的全部遗传脆弱性。
遗传学
**目前已知的信息**
气候变化导致的极端温度可能会加重某些已存在单基因疾病患者的症状，或者导致仅在极端温度条件下才会显现的症状。遗传变异可能对温度依赖性表型有所贡献。
**本研究的新发现**
通过不带偏见的搜索，我们整理出了一小部分遗传变异体（“热量型变异体”）。这些变异体会导致编码蛋白质的功能发生温度依赖性变化。在大量罕见疾病患者的全基因组数据中寻找此类变异体，并结合额外的转录组分析，表明有些个体的疾病表型可能会因气候变化而加剧或显现。
**本研究可能对研究、实践或政策的影响**
人类热量型变异体可能有助于识别特别容易受到气候变化影响的疾病，从而引发对温度升高潜在脆弱性的担忧，尤其是那些具有温度潜伏性表型的疾病。
引言
气候变化是人类面临的最大挑战之一，对健康个体以及已有神经系统和其他健康问题的人构成严重风险。为了提高卫生系统的韧性，我们需要了解包括生物学、心理学和行为学在内的各种因素如何影响对气候变化的反应。遗传倾向可能影响个体和群体对气候相关健康状况的易感性和适应能力。在地质时间尺度上，基因变异促进了适应环境条件（包括区域气候条件）的能力。然而，人为气候变化的速度可能超过我们的适应能力。除了广泛的群体适应外，导致罕见疾病的变异体和环境驱动的基因表达变化可能会进一步影响个体对气候变化的反应，进而影响其对气候变化的适应效果。
**研究方法**
我们进行了文献回顾，首先整理出一系列被称为“热量型变异体”的遗传变异体，这些变异体具有编码蛋白质结构或功能因环境温度变化而改变的功能证据。然后，我们在大量罕见疾病基因组中搜索这些变异体的出现情况，并确定这些变异体是否会导致这些疾病中的温度相关表型。我们的发现基于一小部分热量型变异体，表明气候变化可能会引发与现有基因组变异相关的新“温度潜伏性”表型。更好地理解先天遗传脆弱性可能有助于制定针对性的适应措施，特别是对于因疾病而变得脆弱的个体。
**研究内容**
1. **热量型遗传变异体的识别**
我们进行了文献搜索，以识别具有功能特征的温度依赖性效应的人类遗传变异体，其中一些与温度敏感的疾病表型相关（即疾病表现可以通过环境温度的变化而显现）。根据替代等位基因对温度敏感的实验室或临床表型的影响，将识别出的热量型变异体分为四类：耐热（HI）或耐寒（HT）、不耐热（CI）或耐寒（CT）。
2. **Genomics England 100K基因组项目中的热量型变异体**
我们在Genomics England 100K基因组项目的39,834名参与者的全基因组测序数据中筛查热量型变异体，以识别具有这些变异体的人。此外，我们还查看了“GMC（基因组医学中心）退出问卷”表，该表列出了39,834名个体的已解决/部分解决或未解决的病例（在线补充方法2；国家基因组研究图书馆V.5.1，GEL：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.4530893.v7）。已解决的病例有已确定的致病/可能致病的“致病变异体”；部分解决的病例有表现出不同程度致病性的变异体。
3. **GEL参与者中的热量型变异体**
我们研究了携带热量型变异体的GEL参与者中的三种不同情况：
- 具有GEL声明的致病变异体且也是热量型变异体的可能温度相关表型；
- 具有GEL声明的致病变异体但不是热量型变异体的可能修饰效应；
- 尚未在GEL中报告致病变异体的参与者中的热量型变异体与表型之间的可能关联。
4. **温度对人类星形胶质细胞转录组的影响**
我们在升高的温度下培养原代人类星形胶质细胞，然后进行RNA测序，以测试热量型基因的表达变化。
**结果**
我们识别出65个热量型基因中的159个热量型变异体；106个（66.7%）热量型变异体导致了温度敏感的疾病表型，50个（31.4%）与疾病相关但未明确与特定温度敏感疾病表型相关。这些变异体被分类为错义突变、移码突变、框内缺失突变、剪接位点突变、终止增益突变、内含子突变或基因间突变。所有变异体都是根据它们在实验温度变化下改变蛋白质功能的能力选出的，无论其具体的遗传后果如何。
**讨论**
六个变异体（位于MTHFR、ACTN3、CACNA2D3、CFTR和UCP1基因中）在gnomAD V.4.1.0中的等位基因频率大于0.01，属于多态性。其他153个热量型变异体（gnomAD等位基因频率<0.01）被认为是罕见的。变异体注释显示67.92%（108/159）的热量型变异体具有致病性或可能致病性；其余的变异体意义不确定或为良性（基于建模推断，而非关于编码蛋白质温度依赖性改变的实证数据）。
**结论**
我们的发现表明，气候变化可能会引发与现有基因组变异相关的新“温度潜伏性”表型。更好地理解先天遗传脆弱性可能有助于制定针对性的适应措施，特别是对于因疾病而变得脆弱的个体。根据159个基因型变异的原始报告，我们将所有源疾病分类为GEL定义的“疾病组”和“疾病亚组”。大多数（71/159）基因型变异与“神经学和神经发育障碍”（疾病组）或“遗传性癫痫综合征”（疾病亚组）相关（见在线补充表3和4；在线补充结果2）。与“疾病组”和“疾病亚组”相关的HI、HT、CI和CT基因型变异的数量如图3A、B所示。
在Genomics England研究联盟的罕见疾病队列中，我们筛查了39,384名参与者，寻找这159个基因型变异。在6个多态性基因型变异中，有5个的gnomAD等位基因频率较高（见在线补充表1），因此没有进一步研究。我们只考虑了与原始文章中报告的基因型变异具有相同合子型的GEL参与者。在300名有可用的表型信息的受试者或受影响亲属中，发现了22个基因型变异。在52名被归类为“已解决”或“部分解决”的受试者中，有7人（13.5%）的基因型变异被确定为“致病变异”。在其余45人（86.5%）中，基因型变异与其他致病变异同时存在。在300名参与者中，有248人是未解决的受试者或受影响亲属，每人携带一个基因型变异（见在线补充表5）。值得注意的是，GEL参与者中的22个罕见基因型变异都是HI类型；只有1个是CI类型（详细信息见在线补充方法1）。没有发现罕见的HT或CT类型变异（见在线补充表6）。
我们根据GEL整理的人类表型本体术语对疾病表型进行了评估。这项分析旨在确定携带基因型变异的300名GEL参与者是否表现出与其基因型变异相关的临床特征，无论是温度敏感性的还是其他类型的。在8个已解决/部分解决的病例、4个已解决/部分解决的病例的受影响亲属以及1个未解决的病例中，发现了具有临床相关性的特征。在这13名GEL参与者中，SCN1B p.C121W基因型变异在2个已解决/部分解决的病例及其4个受影响亲属中被确定为“致病变异”；在另一个已解决的病例中，除了致病变异外，还发现了相同的SCN1B p.C121W变异。所有这8名参与者（2个已解决/部分解决的病例及其4个受影响亲属、1个未解决的病例）都有热性惊厥的历史。在其余5个已解决的病例中，没有报告特定的温度敏感性表型；所有病例都携带已知会导致温度敏感性疾病的基因型变异，分别是与感染期间急性脑病相关的CPT2变异和与麻醉期间恶性高热相关的RYR1变异。可能有些个体具有相关的风险因素（2名个体同时携带RYR1变异并有手术史），而其他人则没有。
此外，30个未解决的病例（均为受试者）表现出潜在的临床相关表型特征，表明这些基因型变异可能作为遗传修饰因子或混合表型的贡献者。其中11名个体携带上述CPT2和RYR1变异，但没有报告温度敏感性表型（3名携带RYR1变异且有手术史；8名携带RYR1或CPT2变异但没有相关风险因素）；8名个体的表型与基因型变异相关，但与温度敏感性无关；11名个体的表型与温度敏感性的相关性不明确（见在线补充表6）。在线补充结果3中的两个例子说明了基因型变异与温度敏感性表型之间的临床相关性，详细说明了基因型变异如何作为遗传修饰因子或混合表型的贡献者。此外，我们还筛查了45名携带基因型变异及其他致病变异的已解决GEL病例，以研究这些变异是否影响相似的通路或相互作用，因为这可能表明它们之间存在修饰关系。在45名GEL参与者中，有1名的GRIN2B基因和1名的TRIM21基因分别与致病变异和基因型变异共享通路（KEGG（京都基因与基因组百科全书）通路：系统性红斑狼疮；hsa05322），在另外2名GEL参与者中，使用STRING数据库的进一步分析显示PKD2基因和RYR1基因之间存在潜在的相互作用。然而，这些基因组合中的GEL参与者没有任何记录的温度相关表型（见在线补充表7）。
这300名GEL参与者的疾病被分配到305个疾病组中（一些参与者被分配到多个疾病组）。估计了每个“疾病组”中基因型变异的患病率：43.3%（132/305）的参与者属于“神经学和神经发育障碍”组，14.1%（43/305）属于“心血管疾病”组，11.1%（34/305）属于“肾脏和泌尿系统疾病”组，4.9%（15/305）属于“眼科疾病”组，4.3%（13/305）属于“肿瘤综合征”组，其余18.0%（55/305）属于其他标准化疾病组（见在线补充表8）。
SCN1B p.C121W：一种具有不完全外显率的基因型遗传变异。尽管所有159个基因型遗传变异都已被功能表征，但了解携带这些变异的GEL参与者是否表现出目前公认的温度敏感性表型仍然很重要。例如，某些变异在所有温度条件下可能都是良性的，而其他变异可能在任何环境温度下都会导致临床表现；还有一些变异可能只在特定温度下表现出表型。例如，不耐热的基因型变异SCN1B p.C121W是一种创始人变异，仅存在于欧洲血统的个体中（在欧洲（非芬兰）人群中的gnomAD等位基因频率为0.00014），并与伴有热性惊厥的全面性癫痫（GEFS+）相关。体温升高可能会加重GEFS+患者的表型后果。体外研究表明，这种基因型变异在高温下会增强通道兴奋性。敲入小鼠（携带SCN1B p.C121W变异的杂合子）比野生型小鼠更容易发生热诱导的惊厥，这支持了这种HI基因型变异的温度依赖性外显率。携带SCN1B p.C121W变异的小鼠在高温下会发生惊厥，这表明原本无症状的个体在炎热环境中可能会发生惊厥，类似于经常在热水浴、温暖天气等条件下发生惊厥的GEFS+患者。因此，基因型变异可能通过气候变化直接导致疾病或病情加重，我们知道气候变化会导致更热的日子和更多的热浪。我们检查了所有携带SCN1B p.C121W变异的GEL参与者（n=27；11名受试者，6名受影响亲属和10名未受影响的亲属）的表型：17/27名受试者或受影响亲属患有各种特定疾病，而10名受试者的亲属据报道是无症状的（见在线补充表9）。
鉴于先前的研究发现，患有神经系统疾病的个体可能特别容易受到气候变化的不良影响，并考虑到与基因型基因最常相关的功能——特别是那些参与通道活动和发育的基因——我们研究了高温对相关原代细胞培养（人星形胶质细胞）中基因表达的影响。在39°C暴露6小时后，有1509个基因上调，1465个基因下调；在39°C暴露24小时后，有711个基因上调，811个基因下调（见图4A、B，在线补充表10 A-D）。与6小时暴露相比，24小时暴露后有651个基因上调，729个基因下调（见图4C，在线补充表10G）。在39°C暴露6小时和24小时后，有411个基因上调，472个基因下调（见图4D、E）。基因集富集分析显示，与6小时暴露相比，有244个通路富集；与24小时暴露相比，有225个通路富集；与6小时和24小时暴露相比，有255个通路富集（见在线补充表10B、E和H）。图4F显示了每次比较的前20个富集反应组的非冗余列表。我们评估了差异表达基因中是否存在与人类疾病相关的基因富集（见图4G，在线补充表C、F和I）。在6小时与对照组的比较中，神经退行性疾病（调整后的p值=0.035）和肾癌（调整后的p值=0.023）被识别为富集。在24小时与对照组的比较中，Leber遗传性视神经病变（调整后的p值=0.015）和神经退行性疾病（调整后的p值=0.015）被突出显示；在24小时与6小时的比较中，Charcot-Marie-Tooth疾病（调整后的p值=0.017）和神经病变（调整后的p值=0.017）显著富集。
在暴露于高温后，人类星形胶质细胞中16个基因型基因的表达发生了差异：14个是HI类型，1个是HT类型，1个是CI类型。几个与通道功能相关的基因型基因也表现出差异表达（详见在线补充表10A、D和G），包括KCNA1、SCN9A、SLC1A1和SCN8A。几个转录因子也表现出动态反应，包括HSF1和ZFHX2在24小时时上调，而TP53在6小时和24小时时间点之间表现出显著变化。
随着气候变化的进展，对人类健康的威胁持续增加，给已经紧张的医疗系统带来了挑战。气候变化对健康的影响是不均衡的，沿着地理、国家和社会人口统计轴有所不同，而对某些常见疾病（尤其是神经系统疾病）的脆弱性已经在流行病学层面得到记录。尽管罕见疾病的现有疾病负担可能使它们特别脆弱，但在气候变化背景下，这些疾病却很少受到关注。在这种情况下，针对有限的医疗资源并优化对最脆弱人群的健康信息传递变得合适。复杂化这种权衡的是，通过基因型遗传变异引起的温度依赖性蛋白质功能障碍可能出现新的脆弱性。已经有一些关于偶发热潜伏表型的零星报告。为了系统地解决这种可能性，我们确定了159个功能表征的基因型变异。这很可能只代表了其中一小部分变异，即那些被我们的筛查所研究和发现的变异。因此，我们认为我们的方法和结果具有说明性而非全面性，但仍然揭示了人类对气候变化的新脆弱性（见在线补充结果4）。大多数基因型变异是罕见的且为HI类型；在一个更大的罕见疾病队列中，观察到的22个基因型变异中有21个是HI类型，在变暖的世界中值得关注。这种HI类型的过度代表可能归因于多种因素，包括：科学界在选择研究变异时的偏见；蛋白质对较高温度的固有脆弱性，使得导致HI类型的变异更有可能表现出来；在进化和长期气候背景下，对HI类型的变异几乎没有负选择压力（尽管我们没有研究基因型变异的进化历史）。可能在一个基因型基因中存在多个基因型类别的变异；在这种情况下，只有实验数据才能帮助解决这种复杂性，特别是如果同一个个体中存在多个类别的变异。如果同一个基因型基因中存在不同类别的基因型变异，那么该基因将根据其基因型变异的分类被归入这两个类别。许多基因型变异研究的实验温度与经验确定的器官（包括大脑）的温度范围重叠，这进一步支持了我们发现的相关性，因为67.92%的基因型变异被预测为致病/可能致病，66.7%的变异会导致疾病。随着温度的升高，似乎会有更多的潜在基因型变异变得明显，因为我们的基因型变异/基因代表了一小部分。重要的是，变异后果预测模型没有考虑环境温度的影响；变异后果可能会随温度变化——例如，根据经验，SCN1A R865G变异在20-22°C时主要表现为通道功能的获得性增强，但在40°C时则表现为功能丧失。原始报告中强调的与这些变异相关的条件提供了关于可能特别容易受到气候变化影响的罕见疾病的见解。虽然没有进行统计分析，但我们注意到近一半的基因型变异（44.7%）来源于罕见的神经系统和神经发育障碍，尤其是癫痫。有趣的是，在这个背景下，人类大脑进化与环境温度压力的联系一直存在争议。此外，罕见神经系统和神经发育障碍的普遍性可能反映了出版文献中对这些条件的关注。在独立的GEL罕见疾病队列中，当前的一组基因型变异在不到1%的参与者中被发现。一些热型变异已经被认为具有疾病解决能力；而其他变异则与独立的疾病解决变异共同存在。在这两种情况下，变异的热型特性都可能解释、加剧或复合疾病表型，产生对温度的敏感性，这种敏感性可能被错误地归因于具有疾病解决能力的变异（见在线补充结果3）。有可能导致热型变异出现的暴露情况尚未被遇到（即热潜伏表型）：SCN1B p.C121W变异就体现了这些方面的许多特征。尽管这些变异主要出现在“神经学和神经发育障碍”疾病组中，但没有一个GEL疾病组显示出热型变异的富集现象，但我们需要注意的是，我们的热型变异样本集只是一个初步的例子。通过比较与热型变异相关的疾病组以及具有热型变异的GEL参与者的疾病组，我们观察到两者之间存在很大的重叠（12/15；80%）（见在线补充表11B）。此外，在高温环境下暴露的星形胶质细胞中差异表达的基因主要集中在与神经退行性疾病相关的基因上。这些发现表明，神经学、神经发育障碍和神经退行性疾病，尤其是这些疾病中的罕见病例，可能是最容易受到气候变化不利影响的一类。
在涉及这些疾病的细胞类型中，我们观察到了温度暴露引起的基因表达变化，这是热潜伏表型可能表现出来或恶化的另一种机制。差异表达的基因和相关的通路可能有助于确定其他需要进一步研究的潜在热型变异。理想情况下，应该测试来自多个器官的多种细胞类型，以确定需要特别关注的熱型变异/基因。转录组数据，包括一些热型基因本身的表达变化（例如SCN8A），突显了在温度背景下特别值得关注的疾病类型，再次强调了神经学（以及肾脏）疾病。温度决定的转录因子差异表达可能导致多个器官对高温的敏感性增加，这一点在临床观察中也有体现。此外，数据表明暴露时间的长短也很重要。需要进一步的研究来评估更广泛的时间动态、温度范围、环境条件和细胞类型的影响。
这项对最小规模热型变异样本集的初步探索性分析突出了可能特别容易受到气候变化影响的疾病，有助于确定需要紧急关注的疾病类型。这些分析特别强调了神经系统中的常见和罕见疾病，突显了针对气候变化进行研究的重要性，对患有神经系统疾病的人群、临床医生和科学家来说尤为重要。完整的人类热型变异/基因集合可能要大得多，系统的功能或计算调查可能有助于识别更多的此类变异。我们的方法可以根据关于特别容易受到气候变化影响的疾病的流行病学数据进行扩展。研究结果引发了人们对温度升高所带来的潜在先天脆弱性的担忧，以及热潜伏表型的问题。人类基因组无法快速适应气候变化，因此热型变异可能会暴露出意想不到的气候脆弱性。这一初步探索有望提高人们对潜在遗传因素在气候变化影响中的作用的认识，未来可能需要从伦理和操作层面进行更全面的考虑。更好地理解热型变异的后果也可能有助于制定个性化的适应策略，以应对与温度相关的健康挑战，并最终使公众警报信息更加精准。我们还需要注意的是，遗传变异只是决定对极端温度适应能力或脆弱性的众多因素之一。我们必须更好地了解这些变异，同时也要采取措施减缓气候变化，以防止这些脆弱性的出现。
**数据可用性声明**
数据可应合理要求提供。
**致谢**
这项研究得益于能够访问国家基因组研究图书馆的数据，该图书馆由Genomics England Limited管理（该公司是卫生和社会护理部的全资子公司）。国家基因组研究图书馆保存了患者提供的数据以及NHS在提供护理过程中收集的数据，还包括患者参与研究时收集的数据。该图书馆的资金来自国家健康研究所和NHS England。Wellcome Trust、Cancer Research UK和医学研究委员会也资助了相关研究基础设施的建设。
打赏
