Влияние структурных вариаций на экспрессию генов и фенотипические черты

Структурные варианты (SV) представляют собой основной класс геномных изменений, которые включают сегменты ДНК, как правило, больше 50 пар оснований. Эти перестановки включают делеции, дублирование, инверсии, транслокации и вставки, и они в совокупности объясняют больше различий между парами оснований между людьми, чем одиночные нуклеотидные полиморфизмы. Понимание влияния SV на экспрессию генов и фенотипические черты имеет решающее значение для раскрытия генетической основы человеческих заболеваний, эволюционной адаптации и нормальной вариации. Достижения в технологиях секвенирования показали, что SV являются повсеместными в геноме и часто оказывают глубокое влияние, изменяя дозировку генов, нарушая регуляторные элементы или изменяя архитектуру хроматина. Эта статья обеспечивает всеобъемлющий обзор типов структурных вариантов, их механизмов действия на экспрессию генов и их вклад в фенотипическое разнообразие и болезнь.

Виды и механизмы структурных вариаций

Структурные варианты классифицируются по характеру и ориентации перегруппировки.Хотя традиционные категории остаются полезными, современная геномика признает континуум от простых SV до сложных перегруппировок с участием нескольких точек разрыва.

Удаления

Делеции включают потерю сегмента ДНК в диапазоне от ~50 б.п до нескольких мегабаз. Когда делеция удаляет кодирующую область гена, результатом часто является полная потеря функции, как видно в альфа-талассемии, где делеции генов альфа-глобина уменьшают выработку гемоглобина. Делеции также часто влияют на регуляторные области, такие как энхансеры или промоторы, что приводит к измененной экспрессии гена без прямого нарушения самого гена. Гемизиготные делеции могут разоблачать рецессивные аллели или вызывать гаплоиновость, где одна функциональная копия недостаточна для нормальной функции.

Дублирование

Дупликации создают дополнительные копии геномного сегмента. Тандемные дупликации помещают дополнительную копию рядом с оригиналом, в то время как интерхромосомные дупликации перемещают копию в другое место. Первичный эффект - это повышенная доза гена, которая может стимулировать сверхэкспрессию. Хорошо известным примером является дупликация гена амилазы 1 (AMY1), которая повышает выработку слюнной амилазы и связана с диетами с высоким содержанием крахмала в определенных популяциях. Дупликации также могут генерировать новые генные слияния или нарушать регуляторные ландшафты через дисбаланс копий-числов.

Инверсии

Инверсии меняют ориентацию сегмента ДНК. Брейкпоинты часто прерывают последовательности, но основное функциональное воздействие происходит, когда инверсии отделяют ген от его регуляторных элементов или переносят его под контроль другого промотора. Инверсии также могут подавлять рекомбинацию, создавая «геномные острова», которые развиваются независимо. Классическим примером является инверсия на хромосоме 8p23.1, связанная с рецидивирующими синдромами микроделеции и измененным риском аутоиммунных заболеваний из-за воздействия на номер копии гена дефензина.

Транслокации

Транслокации включают обмен сегментами ДНК между негомологичными хромосомами. Сбалансированные транслокации (без чистых потерь или усиления) часто нарушают гены в точках разрыва или создают гены слияния, такие как BCR-ABL1 слияние при хроническом миелоидном лейкозе. Несбалансированные транслокации приводят к частичным трисомиям или моносомиям, приводящим к тяжелым нарушениям развития. Транслокации также изменяют ядерное позиционирование геномных областей, что может влиять на экспрессию генов через изменения в местной среде хроматина.

Сложные структурные вариации

Достижения в области секвенирования с длинным чтением выявили сложные SV, включающие множественные точки разрыва и перестановки, которые не соответствуют простым категориям. К ним относятся хромотрипсис (массивное локальное разрушение и повторное сборка), хромоплексия (взаимосвязанные перестановки по хромосомам) и тандемные дублирования с инверсиями. Такие сложные события особенно распространены в геномах рака и все чаще признаются при нарушениях зародышевой линии.

Влияние на экспрессию генов

Структурные варианты влияют на экспрессию генов через несколько различных механизмов, часто действуя в комбинации, чтобы произвести количественные или качественные изменения уровней транскрипта.Эффекты могут быть расположены вблизи варианта или влиять на гены на расстоянии через дальние взаимодействия.

Генное разрушение и слияние

Когда точка разрыва попадает в ген, результирующая перестройка может усечение кодирующей последовательности, удаление экзонов или слияние двух разных генов. Эти события часто приводят к потере функциональных аллелей или неоморфных белков слияния с измененной активностью. Например, делеции в гене DMD вызывают мышечную дистрофию Дюшенна путем устранения основных доменов дистрофина. Генные слияния, такие как EML4-ALK при раке легких, создают конститутивно активные киназы, которые стимулируют пролиферацию.

Изменение элементов регулирования

SV могут удалять, дублировать или репозиционировать усилители, глушители, промоторы и изоляторы. Удаление, удаляющее тканеспецифический энхансер, может заглушить ген, экспрессируемый только в этой ткани, в то время как дублирование энхансера может вызвать эктопическую экспрессию. Инверсия или транслокация могут привести ген под контроль нового регуляторного элемента, как видно в некоторых формах кампомельской дисплазии, где SOX9 неправильно регулируется инверсией, которая отделяет его от его энхансера.

Эффекты дозировки и дисбалансы

Варианты копий (делеции и дублирования) непосредственно изменяют количество функциональных копий на клетку. Для чувствительных к дозировке генов даже 50%-е снижение (гаплоиненаучность) или 50%-е увеличение (триплочувствительность) могут вызывать заболевание. Геном человека содержит много гаплоинодостаточных генов, таких как TBX1 в синдроме делеции 22q11.2 и RERE при нарушениях нейроразвития. И наоборот, дублирование чувствительных к дозировке областей, таких как дублирование PMP22, вызывающее болезнь Шарко-Мари-Тута типа 1А, иллюстрирует, как увеличение числа копий вызывает патологию.

Эффекты позиции и архитектура хроматина

Геномные перестановки могут изменять пространственное позиционирование ДНК в ядре. Большие делеции или инверсии могут нарушать топологически ассоциирующие домены (TAD), заставляя энхансеры аберрантно взаимодействовать с генами, с которыми они обычно не контактируют. Аналогичным образом, транслокации могут перемещать гены в гетерохроматические области, которые заглушают экспрессию. SV, которые влияют на сайты связывания CTCF или другие изоляторные элементы, дополнительно способствуют неправильной регуляции. Эти эффекты положения объясняют, почему некоторые SV вызывают фенотипы, даже когда они непосредственно не нарушают гены.

Фенотипические последствия для здоровья и болезней человека

Влияние структурных вариантов на фенотипические черты колеблется от тонких количественных вариаций до тяжелых нарушений развития. Их роль в сложных заболеваниях и адаптивных чертах все чаще хорошо документируется.

Нейроразвитие и психические расстройства

Варианты с копией чисел (CNV) являются одними из самых сильных известных генетических факторов риска расстройства аутистического спектра (РАС), шизофрении и интеллектуальной инвалидности. Рекуррентные CNV при 16p11.2, 22q11.2 и 1q21.1 демонстрируют высокую пенетрантность. Например, делеции при 16p11.2 связаны с РАС, макроцефалией и ожирением, в то время как дублирование той же области приводит к микроцефалии и шизофрении. Эти взаимные фенотипы подчеркивают чувствительность генов к дозировке в этом интервале. Структурные варианты также способствуют интеллектуальной инвалидности через события de novo, часто обнаруживаемые хромосомным микрочипом в диагностических условиях.

Геномика рака

Соматические структурные варианты являются отличительными чертами геномов рака. Транслокации создают онкогенные слияния, такие как ERG-TMPRSS2 при раке предстательной железы или PML-RARA при остром промиелоцитарном лейкозе.Усиление (высокоуровневые дублирования) онкогенов, таких как MYC и EGFR, стимулирует рост опухоли.Делеции опухолевых супрессоров, включая CDKN2A и PTEN, устраняют критические барьеры для пролиферации. Более того, сложные перестройки, такие как хромотрипсис, могут катастрофически изменять многие гены одновременно, ускоряя эволюцию рака.

Гематологические расстройства

Структурные варианты лежат в основе многих наследственных заболеваний крови. Делеции в кластере генов альфа-глобина вызывают альфа-талассемию, причем тяжесть пропорциональна удаленным копиям. Дупликации гена бета-глобина связаны с признаками бета-талассемии. Аналогичным образом инверсии в гене F8 вызывают тяжелую гемофилию A через нарушение кодирующей последовательности фактора VIII. Структурные варианты также играют роль в наследственных анемиях посредством измененной регуляции генов, связанных с эритропоэзом.

Адаптивная и демографическая вариации

Не все структурные варианты вредны. Некоторые были выбраны для их благотворного воздействия. Упомянутое ранее дупликация гена AMY1 является одним из наиболее ярких примеров: популяции с диетами с высоким содержанием крахмала, такие как японские и европейские земледельцы, несут в среднем 6-7 копий, в то время как популяции охотников-собирателей в среднем меньше. Изменение числа копий в гене хемокина CCL3L1 влияет на восприимчивость к ВИЧ, подчеркивая, как SV могут модулировать риск инфекционных заболеваний. Кроме того, структурные варианты в гене LPA влияют на уровни липопротеина (a) и сердечно-сосудистый риск, с популяционными частотами, обусловленными балансирующим отбором.

Технологии обнаружения и характеристики структурных вариаций

Изучение структурных вариантов было революционизировано секвенированием и массивными технологиями.Каждый метод имеет сильные и ограниченные стороны в чувствительности, разрешении и типах обнаруженных SV.

Хромосомный микрочип (CMA)

CMA, включая массивы сравнительной геномной гибридизации и SNP-массивы, остается диагностическим инструментом первой линии для обнаружения CNV, превышающих ~10-50 кб. Он превосходит в выявлении делеций и дублирования, но не может обнаружить сбалансированные перестановки, инверсии или транслокации без изменения числа копий. CMA сыграл важную роль в определении рецидивирующих синдромов CNV и имеет диагностическую способность 10-20% при нарушениях развития нервной системы.

Полногеномное секвенирование (WGS)

Краткочтовая WGS при охвате ~30X может обнаруживать SV до ~50 б.п. с использованием анализа спаренного конца, сплит-чтения и глубины чтения. Однако она борется с SV в повторяющихся регионах, сложных перестановках и из-за типичной длины считываний (~150 б.п.). Несмотря на эти ограничения, крупномасштабные проекты, такие как проект 1000 геномов, каталогизировали тысячи SV, раскрывая их распространенность и структуру населения.

Долгосрочное секвенирование

Такие технологии, как PacBio SMRT и Oxford Nanopore, генерируют показания 10-100 кб и более, что позволяет непосредственно обнаруживать SV в повторяющихся и сложных областях. Длинные показания могут охватывать целые SV, что делает их идеальными для идентификации инверсий, тандемных повторов и больших вставок. Недавние исследования с использованием секвенирования с длинным чтением выявили новые SV, связанные с болезнью Хантингтона и другими расстройствами повторного расширения, и усовершенствовали карту точек разрыва структурных вариантов в геноме человека.

Оптический картограф и другие методы

Оптический картографирование позволяет получить карты рестрикции с высоким разрешением отдельных молекул ДНК, позволяющие обнаруживать большие SV и перегруппировки на уровне генома. Особенно полезно для выявления сбалансированных транслокаций и инверсий, невидимых для микрочипов. Новые методы, включая секвенирование с связным считыванием и Hi-C, дополнительно улучшают обнаружение SV, предоставляя информацию на большие расстояния из короткочитанных данных или карт контактов конформации хроматина.

Эволюционное значение структурных вариаций

Структурные варианты не только вызывают болезни, но и способствуют эволюционным инновациям. Создавая новые копии генов, перестраивая регуляторные ландшафты и создавая новый генетический материал, SV являются основным источником генетических вариаций, на которые действует естественный отбор.

Дупликация генов и неофункционализация

Дублирование генов является основным механизмом возникновения новых функций. Дублированные гены могут приобретать новые роли посредством мутации, в то время как оригинальная копия сохраняет функцию предков. Семейство генов опсин, расширенное через SV, лежит в основе цветового зрения. Аналогичным образом, сегментарные дупликации у приматов способствовали расширению генов мозга, таких как SRGAP2C, который участвует в корковом развитии. У людей недавние дупликации гена PCSK9 были связаны с снижением уровня холестерина под селективным давлением адаптации.

Структура и адаптация населения

Структурные варианты часто показывают сильную дифференциацию популяции, указывающую на местную адаптацию. Например, дублирование гена CYP2D6, который метаболизирует многие лекарства, изменяется по частоте среди популяций и влияет на эффективность препарата. В арктических популяциях вариация числа копий в генном кластере FADS влияет на метаболизм жирных кислот, вероятно, как адаптация к высокожировым морским диетам. Инверсии, подавляя рекомбинацию, могут поддерживать коадаптированные комплексы генов, такие как инверсионный полиморфизм 17q21.31, связанный с фертильностью и размером мозга у европейцев.

Механизмы формирования SV в эволюции

Структурные варианты возникают через несколько мутационных механизмов, включая гомологическую рекомбинацию (неаллельная гомологическая рекомбинация, NAHR), негомологичное соединение конца (NHEJ) и механизмы на основе репликации (FoSTeS / MMBIR). Регионы, богатые сегментарными дублированием и низкокопичными повторами, являются горячими точками для SV, опосредованных NAHR. Со временем эволюции эти механизмы генерируют динамический ландшафт усиления, потери и перестройки, который формирует геномы.

Клинические и трансляционные последствия

Понимание структурных вариантов имеет прямые клинические преимущества. Включение СВ-анализа в прецизионную медицину улучшает диагностику и стратификацию лечения. Например, в онкологии обнаружение NTRK генных слияний направляет использование ингибиторов TRK, независимо от типа опухоли. В пренатальной генетике теперь возможно неинвазивное обнаружение крупных фетальных CNV из материнской плазмы. По мере того, как секвенирование с длинным чтением становится более доступным, комплексное СВ-профилирование станет обычным в клинической геномике.

Остаются проблемы в интерпретации клинической значимости редких СВ, особенно частных. Для подтверждения причинности все чаще используются крупномасштабные справочные базы данных, такие как База данных геномных вариаций (DGV) и Гномад СВ, помогающие отличить доброкачественные от патогенных событий. Функциональные анализы, включая CRISPR-инженерию СВ в клеточных моделях.

Будущие направления

В этой области осуществляется полный каталог структурных вариантов человека и их функционального воздействия. Ключевые приоритеты включают: i) секвенирование различных популяций предков для захвата недопредставленных вариаций; ii) разработку вычислительных методов для интеграции эффектов SV с транскриптомными, эпигеномными и протеомными данными; iii) использование ссылок на пангеном, которые представляют SV в качестве альтернативных локусов, а не линейных координат; iv) и разработку терапевтических стратегий, нацеленных на геномные последствия SV, такие как антисмысловые олигонуклеотиды или редактирование генов.

Открытие того, что многие некодирующие SV влияют на экспрессию генов посредством регуляции на большие расстояния, будет способствовать идентификации новых механизмов заболевания. Кроме того, роль SV в соматическом мозаицизме и связанном со старением клональном гемопоэзе является новой областью со значительными последствиями для риска рака и возрастных заболеваний. В конечном счете, глубокое и функциональное понимание структурных вариантов обещает открыть новые идеи в карте генотипа-фенотипа.

Ссылки и дальнейшее чтение