第十一章-基因組變異與疾病

1、第十一章 基因組變異與疾病Genomic Variations & Diseases,基因組變異 = 不同個體基因組之間的差異,Scherer et al. 2007,分子遺傳學檢測基因組變異大小范圍細胞遺傳學檢測,序列變異 結(jié)構(gòu)變異,基因組變異: (a) 常染色體SNP密度的基因組分布。顏色顯示1 Mb區(qū)段的SNP密度，紅色最高，藍色最低(Kin 2007)。SNP密度=SNPs數(shù)除以1 Mb區(qū)段內(nèi)可讀的堿基數(shù)。少于75%的堿基可讀的區(qū)段顯示灰色。注意在6p的HLA區(qū)SNP變異高發(fā)，亞端粒區(qū)和3p21區(qū)密度很低。 (b) CEU人群6號染色體變異分布：從下至上為GC含量（藍）、SNPs密度（

2、黑）和小indels（紅），其中1017個結(jié)構(gòu)變異（SV）分類（NAHR:非等位基因同源重組；NHEJ/MMBIR:非同源末端重接/微同源介導斷點誘導復制；TEI:可轉(zhuǎn)座元件插入；或其他）。MHC區(qū)密度顯著增加，單位密度/100kb,人類基因組變異 = 不同個體基因組之間的差異,每個人的 DNA 幾乎都是一樣的 全部差異 = 基因組的0.1% ,GATTTAGATCGCGATAGAG GATTTAGATCTCGATAGAG,你 相 信 嗎 ,測序成本 / Genome快速下降,千人基因組計劃”協(xié)作組 Nature 491, 5665 (1 November 2012) 目的： 通過描繪人類遺傳

3、學變異的物理（位置）和功能圖譜，建立一個資源以幫助理解其對人類疾病的遺傳學貢獻 方法： 對來自14個種族1092個人進行低覆蓋全基因組和外顯子組測序 結(jié)果：驗證的單體型圖： 38m 單核苷酸多態(tài)（SNPs） 1.4m 短插入/重復 （indels） 14,000 大片段缺失,遺傳學變異整合圖,The 1000 Genomes Project (2008,人群之間的遺傳學變異,HapMap是人類基因組中常見變異/多態(tài)位點的目錄，描述其形式、物理位置、在同一群體內(nèi)部和不同人群間的分布狀況。 SNPs也是進行基因定位的分子標記。比如可以比較高血壓患者和正常人的SNPs。如果某一個SNP在高血壓患者中

4、很常見，就可以把這個SNP作為標記來定位和識別與疾病相關(guān)的基因。 在人類染色體的很多區(qū)域中，只發(fā)現(xiàn)了少數(shù)的幾種單體型。HapMap計劃將鑒定來自世界不同地區(qū)的四個群體的常見單體型，以及特異識別這些單體型的標簽SNPs。 一旦從HapMap中獲得標簽SNPs的信息，可以利用它們來定位與重要醫(yī)學特征相關(guān)的基因。對標簽SNPs進行基因分型就可以得到一個人的單體型的集合。如果高血壓患者都傾向于具有一個特別的單體型，與該疾病相關(guān)的變異位點很可能就在這個單體型內(nèi)部或鄰近區(qū)域,國際人類基因組單體型圖(HapMap)計劃,HapMap構(gòu)建的三個步驟： 在多個個體的DNA樣品中鑒定SNPs（約1000萬常見SN

5、Ps）； 將群體中頻率大于1%的那些共同遺傳的相鄰SNPs組合成單體型（基因分型）； 在單體型中找出用于識別這些單體型的標簽SNPs（3060萬）。通過對圖中的三個標簽SNPs進行基因分型，可以確定每個個體擁有圖示的四個單體型中的哪一個,國際人類基因組單體型圖(HapMap)計劃,兩個祖先經(jīng)過多代的重組拼接產(chǎn)生不同的子代染色體。如果祖先的一個多態(tài)位點（X標記）會增加罹患某種疾病的風險，當代的兩個遺傳了祖先帶X標記部分的個體也會增加這種風險。附近有許多SNPs可以用來定位此處變異。 經(jīng)過多代反復的重組事件，祖先染色體的片段的原有排布在非近親結(jié)婚的人群中已被打亂。某些祖先片段會在許多后代個體的DN

6、A序列中出現(xiàn)。這些是沒有被重組打破的區(qū)段，相互間被那些發(fā)生了重組的區(qū)域隔開。利用這些區(qū)段（單體型）可以尋找疾病相關(guān)基因,國際人類基因組單體型圖(HapMap)計劃,化石記錄和遺傳證據(jù)表明，解剖學上的現(xiàn)代人類始祖居住于15萬年前的非洲。因為人類是一個相對年輕的物種，任何現(xiàn)代人群的大多數(shù)變異都來自于祖先中就已經(jīng)存在的多態(tài)性。而且，當走出非洲的時候，他們帶走了部分而不是全部的祖先的遺傳多態(tài)性。因此，非洲以外的單體型可以看作是非洲單體型的子集。另外，非洲以外的人類的單體型比非洲人的單體型更長，因為非洲人有更長的歷史，也就有更多的重組來打破單體型。 隨著現(xiàn)代人遍布到世界各地，由于隨機性、自然選擇和其它的

7、遺傳機制，各個地區(qū)人群的單體型頻率也變得不同。另外，DNA序列新的變化（即突變），也可以產(chǎn)生的單體型，大多數(shù)這種新近產(chǎn)生的單體型沒有足夠的時間傳播到其他的人群和地區(qū),基因組變異/疾病模型,尋找缺失的遺傳度：基因個體不代表疾病、行為和其它表型遺傳度的大部分。一個人的疾病易感性更加依賴背景中全部基因的組合，而不是前臺的致病基因(復雜變異復雜疾病)。表觀遺傳可以解釋復雜疾病的風險,基因組變異與人類經(jīng)典遺傳性狀,人類耳垢性狀決定基因ABCC11的克隆,首次發(fā)現(xiàn)單個SNP(538GA)決定人類可見遺傳性狀 GG/GA 油耳(野生型) ； AA 糠耳(突變型) ABCC11基因的單個SNP變異決定人類耳垢

8、性狀,人類耳垢性狀決定基因ABCC11的克隆,ABCC11調(diào)節(jié)人類頂漿分泌腺（大汗腺：叮嚀、腋下和乳腺）分泌通道，對揭示狐臭、初乳量、乳腺癌等的發(fā)生機理及其藥物開發(fā)具有重要的意義,人類耳垢性狀決定基因ABCC11的克隆,北南和東西的地理梯度降低： 中國東北/韓國人群（95%）日本/南亞/美洲土著人群（85%50%）歐洲人群（3%）非洲人群（1%）。 提示A等位基因突變約5萬年前發(fā)生于蒙古/中國人群，經(jīng)自然選擇（2000代）并隨著人群的遷移散布至整個亞洲/美洲土著人群。 蒙古/中國人群日本人群 (50,000 YA,全世界33個種族人群的A等位基因頻率分析,常見變異與疾病-全基因組相關(guān)分析GWA

9、S,遺傳變異與藥物反應(yīng)/藥物基因組學,遺傳變異與藥物反應(yīng)/藥物基因組學,乙醛脫氫酶基因(ALDH)的一個錯義突變分布東亞約5億人中，與上消化道癌風險增高相關(guān) Brooks PJ, et al. Hum Genomics 2009, 3:103-105,在線人類孟德爾遺傳 （Online Mendelian Inheritance in Man, OMIM,在線人類基因和遺傳病目錄（至2014年4月6日,罕見變異-罕見病/單基因遺傳病,,OMIM #603903 鐮形紅細胞貧血 （1959-1978,OMIM #203500 黑尿癥（1902,誰的基因組被測序

10、,人類基因組參照序列并不與任何一個人的基因組準確匹配。 基因組草圖由來自不同種族和民族的大約10-20個匿名個體的DNA組成,IHGSC. Nature (2001) 409 860-921,國際人類基因組測序協(xié)作組,Redon et al. Nature 2006,CNVs無處不在,SNPs不是全部: 介紹拷貝數(shù)變異 (CNVs,Humans are 99.5% identical (not 99.9,檢測270個人,發(fā)現(xiàn)1,447拷貝數(shù)變異區(qū)域(CNVRs),包含360Mb(占基因組的12,人類基因組變異譜,人類基因組結(jié)構(gòu)變異圖,包括缺失、插入和重復片段（1 kb） 屬于常見變異，約占基因

11、組的12% (Redon et al. 2006) 可能涉及表型變異和疾病 迄今大部分檢測方法分辨率低(50 kb,CNVs,結(jié)構(gòu)變異對表型的影響,人類基因組結(jié)構(gòu)變異的檢測方法,為什么要研究結(jié)構(gòu)變異,在“正常人”基因組中常見：是表型變異的主要原因 在某些疾病中常見，特別是癌癥 在罕見病中已被發(fā)現(xiàn)，尤其是智力障礙、孤獨癥和精神分裂癥等,研究結(jié)構(gòu)變異的困難,常常涉及重復區(qū)域 結(jié)構(gòu)重排是復雜的 可以涉及高度重復元件,常見拷貝數(shù)變異/多態(tài)（CNPs,人類基因組存在很多CNVs 許多CNVs與GWAS識別的變異共定位，是理想的功能研究候選區(qū) 然而，大部分CNPs已經(jīng)有很好的SNPs標簽，因此并不能為常見

12、病帶來新的相關(guān)常見變異,復雜疾病相關(guān)的CNVs,拷貝數(shù)變異 (CNVs,是指染色體顯帶不能識別的大小在1Kb到數(shù)Mb范圍的基因組之間DNA片段的不平衡，包括缺失、重復、三體、插入和不平衡易位等。CNVs可以為遺傳性的也可以是散發(fā)的。 1kb到50kb大小的CNVs，由于沒有可行的精確的分子學方法在不同人群的全基因組水平上進行這些細小重排的研究，所以作用不明。 大的新發(fā)的CNVs通常被認為是致病的。 CNVs的表型效應(yīng)取決于拷貝數(shù)改變中是否存在劑量敏感基因、基因組重排是否破壞了基因或產(chǎn)生位置效應(yīng)、基因的調(diào)控序列是否被基因組重排所影響以及缺失發(fā)生使等位隱性基因的功能顯現(xiàn)等,CNVs的致病機制,TE

13、L,A,B,C,TEL,A,B,C,異常重排,人類疾病,配子,三倍劑量效應(yīng)、單體型不足和印跡基因,基因組病的概念,基因組?。℅enomic Disorders）：1998年由美國貝勒醫(yī)學院的 Lupski 提出，系指因基因組結(jié)構(gòu)特征導致基因組重排所致的基因組拷貝數(shù)變異（CNVs）引發(fā)的一類疾病稱為基因組病。 染色體微缺失/微重復綜合征 單基因病和復雜疾病等,微缺失微重復綜合征,1980s以來，發(fā)現(xiàn)染色體微缺失和微重復導致智力障礙和發(fā)育遲緩。 典型例子：與PraderWilli 和 Angelman 綜合征相關(guān)的15q11q13缺失 與SmithMagenis綜合征相關(guān)的17p11缺失 與Wil

14、liamsBeuren綜合征相關(guān)的7q11缺失 與腭心面綜合征相關(guān)的22q11缺失 在首次報道和描述時，每種疾病均以收集一系列共有可識別臨床特征的病人為基礎(chǔ)。臨床描述確定后，這些綜合征的分子基礎(chǔ)不斷被發(fā)現(xiàn)形成“表型先導”的發(fā)現(xiàn)模式。 細胞遺傳學技術(shù)的發(fā)展，包括高分辨核型分析和熒光原位雜交技術(shù)，針對與每種疑似診斷相關(guān)的缺失和重復的診斷性檢測方法應(yīng)運而生,染色體微缺失和微重復是拷貝數(shù)變異（CNVs）的一部分。 CNVs指的是與參照人群基因組相比較時，某個片段DNA序列的獲得或者缺失。 CNV的大小可以從1Kb到數(shù)個Mb，甚至是整條染色體（三體和單體），可以涉及多個、單個基因，或者不涉及基因。 盡管

15、有些CNVs是致病性的，但在群體中也存在很多其它的良性CNVs,微缺失微重復綜合征,CNVs包括兩大類：復發(fā)性CNVs和非復發(fā)性CNVs 復發(fā)性CNVs：通常由減數(shù)分裂階段發(fā)生非等位基因同源重組（NAHR）引起，其斷點位于CNV側(cè)翼的大重復序列區(qū)域。由于斷點集中在確定的區(qū)域內(nèi)，復發(fā)性CNVs的大小范圍在不相關(guān)個體中基本是一樣的,微缺失微重復綜合征,非復發(fā)性CNVs： 相比之下，非復發(fā)性CNVs的斷點通常位于單一序列，并非源于誘導性的基因組結(jié)構(gòu)。 非復發(fā)性CNVs可由幾種不同機制引起，包括非同源末端重接和復制叉停滯與模版轉(zhuǎn)換（FoSTeS）。因此，盡管兩個不相關(guān)個體可能帶有重疊的非復發(fā)性CNVs

16、，但它們一般不會共享相同的斷點,微缺失微重復綜合征,常見的微缺失微重復綜合征,孟德爾遺傳/單基因病,孟德爾遺傳/單基因病,多基因病/復雜疾病/常見病,染色體病/基因組病和基因病診斷/產(chǎn)前診斷高技術(shù)平臺,中南大學醫(yī)學遺傳學國家重點實驗室、國家生命科學與技術(shù)人才培養(yǎng)基地 中國遺傳醫(yī)學中心-湖南、湘雅醫(yī)院產(chǎn)前診斷中心、湖南家輝遺傳?？漆t(yī)院,定義CNVs的致病性,CNV的臨床相關(guān)性：遺傳性、大小、類型和包含的基因 CNV遺傳方式臨床和家系信息，相對遺傳的CNVs，新發(fā)的CNVs更加可能是致病的，尤其是嚴重疾病，當然也有例外的情況。相反，如1q12.1綜合征等的情況一樣，遺傳的CNVs也可能導致一系列嚴重的和神經(jīng)發(fā)育疾病表型，可以是明確致病性，盡管攜帶這些CNVs的父或母方可能表現(xiàn)正常表型。 基于經(jīng)濟或社會的原因，有時很難對父母進行檢測。CNV的大小常常有助于其致病性分析。大的CNVs比小的更可能致病，部分原因是更大的CNVs通常包含更多的基因，改變某個劑量敏感性元件的幾率也