如何通过3D基因组研究结构变异

日期：2018-11-15 标签：结构变异,位置效应,3D基因组测序技术,Hi-C

最近研究表明，结构变异（structural variation，SV）不仅可以影响基因剂量，而且是基因调控的基本机制。SV可以改变调控元件的拷贝数，或者通过破坏染色体的高级结构如TAD来影响基因组的3D结构。由于这些位置效应，SV可以影响离SV断点很远的基因表达，从而导致疾病的发生。SV对3D基因组和基因表达调控的影响，已经被认为是导致疾病发生的潜在原因。

结构变异（SV）包括删除（deletions），重复（duplications），倒位（inversions），插入（insertions）和易位（translocations）。高通量测序技术大大加快了发现和表征这些SVs，然而，在医学上解释SVs和疾病表型结果，仍然不尽人意。SVs可以在不改变编码基因序列情况下导致疾病的发生，这暗示着SV可能作为一个调控原件发挥作用，即所谓的位置效应。事实上，基因组98％的区域都是非编码区域，因此大部分非编码区域可能以某种方式参与基因的调控，但是具体有多少区域参与调控仍然不清楚。因而SV通过影响顺式调控元件（如启动子和增强子）的位置和/或功能，参与基因的调控，成为了非编码区域调控的热点。最近随着3D基因组测序技术发展，位置效应作为调控的热点的证据越来越明显。因而小编坚信接下来用Hi-C鉴定结构变异，揭示基因调控原理，阐明性状产生的根本原因必然是动植物基因组结构变异研究的热点。下面具体介绍一下Hi-C做结构变异的原理。

在细胞核级别，染色体占据特定的领域（下图）。在染色体水平上，Hi-C技术已经揭示了染色质可以分为开放和闭合的空间，称为A/B隔室。Ａ与可接近的，转录活性的常染色质紧密相关，Ｂ与不可接近的，转录沉默异染色质相关（见图）。随着测序深度和分辨率的增加，隔室被细分为为拓扑结构域（TADs）。在Hi-C实验中TADs鉴定主要依据在边界地区交互作用减少（见图）。在TADs内部，调控元件与调控的基因相互作用，激活基因的转录。组蛋白H3K27ac和ATAC-seq可用于鉴定活性调控元件（见图）。TAD边界通过粘连蛋白复合物来稳定，并且通常富含CTCF和转座元件或看家基因；边界对TAD行使正常功能是至关重要的。

在更高的分辨率下，Hi-C数据集已经揭示了额外层级结构的存在，例如sub-TADs，它们是较小的空间域（大约100kb），显示出更加动态的性质和组织特异性。此外，Loop（环）位于TAD和sub-TAD中，可以在HiC热图中直观识别。一些环与增强子-启动子相互作用有关，也显示出动态性和组织特异性。

结构变异可以诱发染色质组织结构的巨大变化，从而产生特定的特征，通过交互热图可以发现明显的特征。示意图显示不同类型结构变异导致Hi-C热图变化。通过与野生型参考Hi-C热图进行比较（上图），由空间邻近变化引起的异位相互作用变得明显（用蓝色表示）；基于参考基因组的Hi-C热图提供变异的特定信息（即删除，重复，倒位或易位；用灰色矩形标记）以及单核苷酸分辨率的断点位置。此外，通过将Hi-C数据映射到含有SV的基因组（下图），可观察到潜在的病理机制，如TAD融合（缺失），neo-TAD形成（复制）或TAD重组（倒位）。

3D基因组中SV与疾病

a、在TAD内IHH基因座的增强子的复制，导致该基因表达发生组织特异性失调并与脚的多趾症相关。

b、SOX9位点的边界复制，导致的TAD形成，并与烹调综合征、短指有关。

c、删除LMNB1基因座附近的TAD边界导致另一个TAD内部增强子调控LMNB1基因，进而导致成人发作性脱髓鞘性脑白质营养不良。

d、翻转EPHA4基因座增强子簇，导致增强子错误调控WNT6，导致拇指和食指并指畸形。

e、平衡易位。MEF2C易位，将会失去调节元件，导致脑部异常和发育迟缓

TAD内部结构变异（SV）通过改变增强子的剂量效应，可能造成功能的丢失或增加。

a、野生型示意图中基因Ａ在发育中的大脑中表达和基因B在肢体中表达。两个基因分别由他们自己的组织特异性的顺式调控元件调控（分别为红色和蓝色，位于不同的TAD中）

b、TAD内倒位不破坏编码基因或TAD边界，对基因的远程调控无重大影响，目前没有病例报告。

c、TAD内缺失增强子元件，可导致基因B在肢体不表达。

d、TAD内部复制。调控元件复制，基因B组织特异性的肢体过度或者错误表达（蓝色），进而导致疾病。

１）删除和重复类型的SV。

TAD边界结构的变化会扰乱染色质结构域和形成新的调控单元。

a、野生型示意图中基因Ａ在发育中的大脑中表达和基因B在肢体中表达。两个基因分别由他们自己的组织特异性的顺式调控元件调控（分别为红色和蓝色，位于不同的TAD中）。

b、边界元间的TAD删除能引起TAD的融合；基因B的增强子会调控基因A，导致基因Ａ错误在肢体中异位表达和疾病产生。

c、TAD边界发生复制，形成一个新的TAD。在新的TAD中点，发生复制的基因Ａ在发生复制的Ｂ基因的增强子的控制下，在四肢中异位表达，并导致疾病发生。

d、不包括基因Ａ的TAD边界复制，也形成了新的TAD，但尚未发生转录变化。

2）倒位和易位类型的SV

b、基因Ｂ的增强子倒位，导致A基因在肢体中异位表达。同时，基因B缺乏增强子，导致基因Ｂ不表达，进而导致肢体功能的调节性丧失。

c、平衡易位。位于染色体Ａ的基因B与位于染色体Ｂ的基因Ｄ发生易位，重组后形成了c图中右半部分。由于基因B丢掉增强子，获得基因Ｄ的增强子，因而导致B基因在肢体中的表达缺失，在脊髓的异位表达。易位导致的结果取决于断点和侧翼基因。易位也可能是不平衡的。

从3D基因组角度研究SV的策略

首先识别有拷贝数变异或SV变异的基因（步骤1）。如果重排是平衡的，识别可能被破坏的基因。检查基因是否剂量敏感和/或表型相关。如果基因没有位于重排区域或者不是剂量敏感，从Hi-C交互热图判断SV位于TAD内部还是TAD边界。根据所示原理对SV进行分类（步骤2）。识别潜在的可以驱动一个疾病基因异位表达增强子（步骤3）。如果可能的话，计算异位增强子–启动子相互作用与基因的表达（肿瘤）或表型（先天性疾病）关系（步骤4）。解释结果，如有必要，进行功能验证。