Discovery of conserved molecular mechanisms underlying population-wide variation in toxin responses

发现人群毒素反应差异的保守分子机制

基本信息

  • 批准号:
    10088449
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 69.44万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-02-01 至 2024-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project summary: Exposure to environmental chemicals is a major health risk. Unfortunately, the detrimental impacts of toxin exposure vary among individuals in a population because of unknown genetic differences. With a better understanding of how our genetics influence toxin response, we can more accurately predict detrimental health effects. It is difficult to identify these factors because human genome-wide association studies often lack the necessary statistical power and controlled toxin exposures. For this reason, we will use defined population-wide variation in the roundworm Caenorhabditis elegans to enable precise measurements of toxin responses at the scale and statistical power of single-cell organisms but with conserved molecular, cellular, and developmental properties of a metazoan. In Aim 1, we will identify genetic loci underlying variation in response to 30 diverse toxins, including metals/metalloids, mitochondrial toxins, pesticides, and flame retardants. We will define effective toxin doses across diverse individuals using low-cost, high-throughput, and high-accuracy assays of growth and fertility. Then, we will define the population-wide variation in response to these 30 toxins and use these data to map toxin-response differences to genes using two mapping panels: (1) CeNDR - the C. elegans Natural Diversity Resource, a set of 500 strains representing nearly all known genetic variation for the species, and (2) CeMEE - the C. elegans Multiparental Experimental Evolution panel, a set of 1000 recombinant inbred lines that enable mapping to the resolution of single genes. In Aim 2, we will identify specific genetic variants and pathways affecting toxin-response variation. We will define causal relationships between toxin response differences and genetic variants using state-of-the-art breeding and genome-editing techniques. Then, we will use gene expression analyses and hypothesis- directed experiments to determine the molecular basis of toxin-response variation. In Aim 3, we will elucidate conserved mechanisms of toxin-response variation by mapping toxin responses in two other Caenorhabditis species that are as genetically different from each other as mice and humans. An innovative comparative quantitative trait locus analysis will ensure identification of sources of toxin-response variation that arise convergently (and therefore predictably) in multiple evolutionary lineages. We will extend this approach by further comparing our mapping results to those from Drosophila, rodents, and humans, identifying conserved pathways responsible for toxin-response variation. Our Caenorhabditis genetic resources have levels of variation, allele frequencies, and phenotypic effects similar to humans, providing a framework to discover the characteristics of genes and variants that underlie differences in human toxin responses. Indeed, decades of research in C. elegans have identified countless examples of widely conserved molecular mechanisms underlying signaling, gene regulation, and metabolism, suggesting that the toxin-response mechanisms discovered here will extend to humans despite overt differences in life history and anatomy.
项目概要: 接触环境化学品是一个主要的健康风险。不幸的是,毒素的有害影响 由于未知的遗传差异,人群中个体的暴露程度存在差异。有了更好的 了解我们的遗传学如何影响毒素反应,我们可以更准确地预测有害的 健康影响。确定这些因素很困难,因为人类全基因组关联研究经常 缺乏必要的统计能力和受控的毒素暴露。因此,我们将使用定义的 秀丽隐杆线虫种群范围内的变异使得毒素的精确测量成为可能 单细胞生物体的规模和统计能力的反应,但具有保守的分子、细胞、 和后生动物的发育特性。在目标 1 中,我们将确定潜在变异的遗传位点 对 30 种不同毒素的反应,包括金属/类金属、线粒体毒素、杀虫剂和火焰 阻燃剂。我们将使用低成本、高通量、 以及生长和生育力的高精度测定。然后,我们将定义人口范围内的差异 对这 30 种毒素的反应,并使用这些数据将毒素反应差异映射到基因,使用两个 绘图小组:(1) CeNDR - 线虫自然多样性资源,一组 500 个菌株,代表 几乎所有已知的物种遗传变异,以及 (2) CeMEE - 线虫多亲实验 Evolution panel,一组 1000 个重组自交系,可实现单基因分辨率的定位。 在目标 2 中,我们将确定影响毒素反应变异的特定遗传变异和途径。我们将 使用最先进的技术定义毒素反应差异与遗传变异之间的因果关系 育种和基因组编辑技术。然后,我们将使用基因表达分析和假设- 定向实验以确定毒素反应变化的分子基础。在目标 3 中,我们将阐明 通过绘制另外两种秀丽隐杆线虫的毒素反应图谱来确定毒素反应变异的保守机制 物种之间的基因差异就像老鼠和人类一样。创新比较 数量性状基因座分析将确保识别出现的毒素反应变异的来源 在多个进化谱系中趋同(因此是可预测的)。我们将通过以下方式扩展这种方法 进一步将我们的图谱结果与果蝇、啮齿动物和人类的图谱结果进行比较,确定保守的 负责毒素反应变化的途径。我们的秀丽隐杆线虫遗传资源水平为 与人类相似的变异、等位基因频率和表型效应,为发现 造成人类毒素反应差异的基因和变异的特征。确实,几十年来 对线虫的研究已经发现了无数广泛保守的分子机制的例子 潜在的信号传导、基因调控和代谢,表明毒素反应机制 尽管生活史和解剖结构存在明显差异,但这里发现的新发现仍将适用于人类。

项目成果

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