如何通過3D基因組研究結構變異

日期：2018-11-15 標簽：結構變異,位置效應,3D基因組測序技術,Hi-C

最近研究表明，結構變異（structural variation，SV）不僅可以影響基因劑量，而且是基因調控的基本機制。SV可以改變調控元件的拷貝數，或者通過破壞染色體的高級結構如TAD來影響基因組的3D結構。由于這些位置效應，SV可以影響離SV斷點很遠的基因表達，從而導致疾病的發生。SV對3D基因組和基因表達調控的影響，已經被認為是導致疾病發生的潛在原因。

結構變異（SV）包括刪除（deletions），重復（duplications），倒位（inversions），插入（insertions）和易位（translocations）。高通量測序技術大大加快了發現和表征這些SVs，然而，在醫學上解釋SVs和疾病表型結果，仍然不盡人意。SVs可以在不改變編碼基因序列情況下導致疾病的發生，這暗示著SV可能作為一個調控原件發揮作用，即所謂的位置效應。事實上，基因組98％的區域都是非編碼區域，因此大部分非編碼區域可能以某種方式參與基因的調控，但是具體有多少區域參與調控仍然不清楚。因而SV通過影響順式調控元件（如啟動子和增強子）的位置和/或功能，參與基因的調控，成為了非編碼區域調控的熱點。最近隨著3D基因組測序技術發展，位置效應作為調控的熱點的證據越來越明顯。因而小編堅信接下來用Hi-C鑒定結構變異，揭示基因調控原理，闡明性狀產生的根本原因必然是動植物基因組結構變異研究的熱點。下面具體介紹一下Hi-C做結構變異的原理。

在細胞核級別，染色體占據特定的領域（下圖）。在染色體水平上，Hi-C技術已經揭示了染色質可以分為開放和閉合的空間，稱為A/B隔室。Ａ與可接近的，轉錄活性的常染色質緊密相關，Ｂ與不可接近的，轉錄沉默異染色質相關（見圖）。隨著測序深度和分辨率的增加，隔室被細分為為拓撲結構域（TADs）。在Hi-C實驗中TADs鑒定主要依據在邊界地區交互作用減少（見圖）。在TADs內部，調控元件與調控的基因相互作用，激活基因的轉錄。組蛋白H3K27ac和ATAC-seq可用于鑒定活性調控元件（見圖）。TAD邊界通過粘連蛋白復合物來穩定，并且通常富含CTCF和轉座元件或看家基因；邊界對TAD行使正常功能是至關重要的。

在更高的分辨率下，Hi-C數據集已經揭示了額外層級結構的存在，例如sub-TADs，它們是較小的空間域（大約100kb），顯示出更加動態的性質和組織特異性。此外，Loop（環）位于TAD和sub-TAD中，可以在HiC熱圖中直觀識別。一些環與增強子-啟動子相互作用有關，也顯示出動態性和組織特異性。

結構變異可以誘發染色質組織結構的巨大變化，從而產生特定的特征，通過交互熱圖可以發現明顯的特征。示意圖顯示不同類型結構變異導致Hi-C熱圖變化。通過與野生型參考Hi-C熱圖進行比較（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，倒位或易位；用灰色矩形標記）以及單核苷酸分辨率的斷點位置。此外，通過將Hi-C數據映射到含有SV的基因組（下圖），可觀察到潛在的病理機制，如TAD融合（缺失），neo-TAD形成（復制）或TAD重組（倒位）。

a、在TAD內IHH基因座的增強子的復制，導致該基因表達發生組織特異性失調并與腳的多趾癥相關。

b、SOX9位點的邊界復制，導致的TAD形成，并與烹調綜合征、短指有關。

c、刪除LMNB1基因座附近的TAD邊界導致另一個TAD內部增強子調控LMNB1基因，進而導致成人發作性脫髓鞘性腦白質營養不良。

d、翻轉EPHA4基因座增強子簇，導致增強子錯誤調控WNT6，導致拇指和食指并指畸形。

e、平衡易位。MEF2C易位，將會失去調節元件，導致腦部異常和發育遲緩

TAD內部結構變異（SV）通過改變增強子的劑量效應，可能造成功能的丟失或增加。

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

b、TAD內倒位不破壞編碼基因或TAD邊界，對基因的遠程調控無重大影響，目前沒有病例報告。

c、TAD內缺失增強子元件，可導致基因B在肢體不表達。

d、TAD內部復制。調控元件復制，基因B組織特異性的肢體過度或者錯誤表達（藍色），進而導致疾病。

１）刪除和重復類型的SV。

TAD邊界結構的變化會擾亂染色質結構域和形成新的調控單元。

a、野生型示意圖中基因Ａ在發育中的大腦中表達和基因B在肢體中表達。兩個基因分別由他們自己的組織特異性的順式調控元件調控（分別為紅色和藍色，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的增強子會調控基因A，導致基因Ａ錯誤在肢體中異位表達和疾病產生。

c、TAD邊界發生復制，形成一個新的TAD。在新的TAD中點，發生復制的基因Ａ在發生復制的Ｂ基因的增強子的控制下，在四肢中異位表達，并導致疾病發生。

d、不包括基因Ａ的TAD邊界復制，也形成了新的TAD，但尚未發生轉錄變化。

2）倒位和易位類型的SV

b、基因Ｂ的增強子倒位，導致A基因在肢體中異位表達。同時，基因B缺乏增強子，導致基因Ｂ不表達，進而導致肢體功能的調節性喪失。

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丟掉增強子，獲得基因Ｄ的增強子，因而導致B基因在肢體中的表達缺失，在脊髓的異位表達。易位導致的結果取決于斷點和側翼基因。易位也可能是不平衡的。

首先識別有拷貝數變異或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。如果基因沒有位于重排區域或者不是劑量敏感，從Hi-C交互熱圖判斷SV位于TAD內部還是TAD邊界。根據所示原理對SV進行分類（步驟2）。識別潛在的可以驅動一個疾病基因異位表達增強子（步驟3）。如果可能的話，計算異位增強子–啟動子相互作用與基因的表達（腫瘤）或表型（先天性疾?。╆P系（步驟4）。解釋結果，如有必要，進行功能驗證。