如何通過3D基因組研究結(jié)構(gòu)變異

日期：2018-11-15 標(biāo)簽：結(jié)構(gòu)變異,位置效應(yīng),3D基因組測序技術(shù),Hi-C

最近研究表明，結(jié)構(gòu)變異（structural variation，SV）不僅可以影響基因劑量，而且是基因調(diào)控的基本機(jī)制。SV可以改變調(diào)控元件的拷貝數(shù)，或者通過破壞染色體的高級結(jié)構(gòu)如TAD來影響基因組的3D結(jié)構(gòu)。由于這些位置效應(yīng)，SV可以影響離SV斷點(diǎn)很遠(yuǎn)的基因表達(dá)，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。SV對3D基因組和基因表達(dá)調(diào)控的影響，已經(jīng)被認(rèn)為是導(dǎo)致疾病發(fā)生的潛在原因。

結(jié)構(gòu)變異（SV）包括刪除（deletions），重復(fù)（duplications），倒位（inversions），插入（insertions）和易位（translocations）。高通量測序技術(shù)大大加快了發(fā)現(xiàn)和表征這些SVs，然而，在醫(yī)學(xué)上解釋SVs和疾病表型結(jié)果，仍然不盡人意。SVs可以在不改變編碼基因序列情況下導(dǎo)致疾病的發(fā)生，這暗示著SV可能作為一個(gè)調(diào)控原件發(fā)揮作用，即所謂的位置效應(yīng)。事實(shí)上，基因組98％的區(qū)域都是非編碼區(qū)域，因此大部分非編碼區(qū)域可能以某種方式參與基因的調(diào)控，但是具體有多少區(qū)域參與調(diào)控仍然不清楚。因而SV通過影響順式調(diào)控元件（如啟動子和增強(qiáng)子）的位置和/或功能，參與基因的調(diào)控，成為了非編碼區(qū)域調(diào)控的熱點(diǎn)。最近隨著3D基因組測序技術(shù)發(fā)展，位置效應(yīng)作為調(diào)控的熱點(diǎn)的證據(jù)越來越明顯。因而小編堅(jiān)信接下來用Hi-C鑒定結(jié)構(gòu)變異，揭示基因調(diào)控原理，闡明性狀產(chǎn)生的根本原因必然是動植物基因組結(jié)構(gòu)變異研究的熱點(diǎn)。下面具體介紹一下Hi-C做結(jié)構(gòu)變異的原理。

在細(xì)胞核級別，染色體占據(jù)特定的領(lǐng)域（下圖）。在染色體水平上，Hi-C技術(shù)已經(jīng)揭示了染色質(zhì)可以分為開放和閉合的空間，稱為A/B隔室。Ａ與可接近的，轉(zhuǎn)錄活性的常染色質(zhì)緊密相關(guān)，Ｂ與不可接近的，轉(zhuǎn)錄沉默異染色質(zhì)相關(guān)（見圖）。隨著測序深度和分辨率的增加，隔室被細(xì)分為為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（TADs）。在Hi-C實(shí)驗(yàn)中TADs鑒定主要依據(jù)在邊界地區(qū)交互作用減少（見圖）。在TADs內(nèi)部，調(diào)控元件與調(diào)控的基因相互作用，激活基因的轉(zhuǎn)錄。組蛋白H3K27ac和ATAC-seq可用于鑒定活性調(diào)控元件（見圖）。TAD邊界通過粘連蛋白復(fù)合物來穩(wěn)定，并且通常富含CTCF和轉(zhuǎn)座元件或看家基因；邊界對TAD行使正常功能是至關(guān)重要的。

在更高的分辨率下，Hi-C數(shù)據(jù)集已經(jīng)揭示了額外層級結(jié)構(gòu)的存在，例如sub-TADs，它們是較小的空間域（大約100kb），顯示出更加動態(tài)的性質(zhì)和組織特異性。此外，Loop（環(huán)）位于TAD和sub-TAD中，可以在HiC熱圖中直觀識別。一些環(huán)與增強(qiáng)子-啟動子相互作用有關(guān)，也顯示出動態(tài)性和組織特異性。

結(jié)構(gòu)變異可以誘發(fā)染色質(zhì)組織結(jié)構(gòu)的巨大變化，從而產(chǎn)生特定的特征，通過交互熱圖可以發(fā)現(xiàn)明顯的特征。示意圖顯示不同類型結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致Hi-C熱圖變化。通過與野生型參考Hi-C熱圖進(jìn)行比較（上圖），由空間鄰近變化引起的異位相互作用變得明顯（用藍(lán)色表示）；基于參考基因組的Hi-C熱圖提供變異的特定信息（即刪除，重復(fù)，倒位或易位；用灰色矩形標(biāo)記）以及單核苷酸分辨率的斷點(diǎn)位置。此外，通過將Hi-C數(shù)據(jù)映射到含有SV的基因組（下圖），可觀察到潛在的病理機(jī)制，如TAD融合（缺失），neo-TAD形成（復(fù)制）或TAD重組（倒位）。

3D基因組中SV與疾病

a、在TAD內(nèi)IHH基因座的增強(qiáng)子的復(fù)制，導(dǎo)致該基因表達(dá)發(fā)生組織特異性失調(diào)并與腳的多趾癥相關(guān)。

b、SOX9位點(diǎn)的邊界復(fù)制，導(dǎo)致的TAD形成，并與烹調(diào)綜合征、短指有關(guān)。

c、刪除LMNB1基因座附近的TAD邊界導(dǎo)致另一個(gè)TAD內(nèi)部增強(qiáng)子調(diào)控LMNB1基因，進(jìn)而導(dǎo)致成人發(fā)作性脫髓鞘性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良。

d、翻轉(zhuǎn)EPHA4基因座增強(qiáng)子簇，導(dǎo)致增強(qiáng)子錯(cuò)誤調(diào)控WNT6，導(dǎo)致拇指和食指并指畸形。

e、平衡易位。MEF2C易位，將會失去調(diào)節(jié)元件，導(dǎo)致腦部異常和發(fā)育遲緩

TAD內(nèi)部結(jié)構(gòu)變異（SV）通過改變增強(qiáng)子的劑量效應(yīng)，可能造成功能的丟失或增加。

a、野生型示意圖中基因Ａ在發(fā)育中的大腦中表達(dá)和基因B在肢體中表達(dá)。兩個(gè)基因分別由他們自己的組織特異性的順式調(diào)控元件調(diào)控（分別為紅色和藍(lán)色，位于不同的TAD中）

b、TAD內(nèi)倒位不破壞編碼基因或TAD邊界，對基因的遠(yuǎn)程調(diào)控?zé)o重大影響，目前沒有病例報(bào)告。

c、TAD內(nèi)缺失增強(qiáng)子元件，可導(dǎo)致基因B在肢體不表達(dá)。

d、TAD內(nèi)部復(fù)制。調(diào)控元件復(fù)制，基因B組織特異性的肢體過度或者錯(cuò)誤表達(dá)（藍(lán)色），進(jìn)而導(dǎo)致疾病。

１）刪除和重復(fù)類型的SV。

TAD邊界結(jié)構(gòu)的變化會擾亂染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域和形成新的調(diào)控單元。

a、野生型示意圖中基因Ａ在發(fā)育中的大腦中表達(dá)和基因B在肢體中表達(dá)。兩個(gè)基因分別由他們自己的組織特異性的順式調(diào)控元件調(diào)控（分別為紅色和藍(lán)色，位于不同的TAD中）。

b、邊界元間的TAD刪除能引起TAD的融合；基因B的增強(qiáng)子會調(diào)控基因A，導(dǎo)致基因Ａ錯(cuò)誤在肢體中異位表達(dá)和疾病產(chǎn)生。

c、TAD邊界發(fā)生復(fù)制，形成一個(gè)新的TAD。在新的TAD中點(diǎn)，發(fā)生復(fù)制的基因Ａ在發(fā)生復(fù)制的Ｂ基因的增強(qiáng)子的控制下，在四肢中異位表達(dá)，并導(dǎo)致疾病發(fā)生。

d、不包括基因Ａ的TAD邊界復(fù)制，也形成了新的TAD，但尚未發(fā)生轉(zhuǎn)錄變化。

2）倒位和易位類型的SV

b、基因Ｂ的增強(qiáng)子倒位，導(dǎo)致A基因在肢體中異位表達(dá)。同時(shí)，基因B缺乏增強(qiáng)子，導(dǎo)致基因Ｂ不表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致肢體功能的調(diào)節(jié)性喪失。

c、平衡易位。位于染色體Ａ的基因B與位于染色體Ｂ的基因Ｄ發(fā)生易位，重組后形成了c圖中右半部分。由于基因B丟掉增強(qiáng)子，獲得基因Ｄ的增強(qiáng)子，因而導(dǎo)致B基因在肢體中的表達(dá)缺失，在脊髓的異位表達(dá)。易位導(dǎo)致的結(jié)果取決于斷點(diǎn)和側(cè)翼基因。易位也可能是不平衡的。

從3D基因組角度研究SV的策略

首先識別有拷貝數(shù)變異或SV變異的基因（步驟1）。如果重排是平衡的，識別可能被破壞的基因。檢查基因是否劑量敏感和/或表型相關(guān)。如果基因沒有位于重排區(qū)域或者不是劑量敏感，從Hi-C交互熱圖判斷SV位于TAD內(nèi)部還是TAD邊界。根據(jù)所示原理對SV進(jìn)行分類（步驟2）。識別潛在的可以驅(qū)動一個(gè)疾病基因異位表達(dá)增強(qiáng)子（步驟3）。如果可能的話，計(jì)算異位增強(qiáng)子–啟動子相互作用與基因的表達(dá)（腫瘤）或表型（先天性疾?。╆P(guān)系（步驟4）。解釋結(jié)果，如有必要，進(jìn)行功能驗(yàn)證。