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Cell: 非编码区可调控遗传性疾病

最近的研究表明,我们人类和其他哺乳动物的基因组被划分为大的功能单位,称为拓扑相关结构域(TAD)。TAD是非常长的DNA片段,包含一个或多个基因及其调控元件。TAD的一个重要功能是形成基因调控的独立区域,同时,将它们与邻近区域隔离开来。最近,根据三种人类罕见疾病,德国马克斯普朗克分子遗传学研究所和柏林夏洛蒂医科大学的科学家已经证明,TAD边界的变化,可显著破坏相关基因的调控。因此,TAD对于基因的正常功能是至关重要的。这些研究结果表明,遗传性疾病可能不仅是由编码基因本身引起的,而且可能是由远离这些基因的非编码区变化引起,这是令人惊讶的。相关研究结果发表在五月份的《Cell》杂志。

人类基因组包含大约20,000个蛋白质编码基因。令人惊讶的是,只有一毫米长的秀丽隐杆线虫(C. elegans),拥有几乎跟人类相同数量的基因,但却与人类的生物复杂性不同。这是因为人类能够更好地发挥其遗传潜力,首先通过修改基因产物,其次通过使用具有不同功能的相同基因。延伸阅读:PLOS:线虫发育时序的关键调节因子。

这需要高度的调控,因为身体的每个细胞都含有相同的遗传信息。科学家估计,人类基因组中大约有40%致力于基因调控。然而,目前尚不清楚它是如何确保“哪个调控因子影响——或不影响哪个基因”。

TAD——拓扑相关结构域,在这方面发挥了关键作用:TAD是DNA片段,在其中DNA形成了包含组蛋白、调节蛋白和转录因子的大型三维结构。每个TAD包含一个或多个基因连同其所有的调控元件。它们的结构在进化上是保守的,可能存在于不同的细胞类型以及各种物种中。一段TAD内的调控元件只能在“它们”的TAD中起作用;相反,在邻近TAD中的基因不受它们的影响。一个TAD与另一个的分离是如何实现的,还有待于证明,但有越来越多的证据表明,所谓的边界元件可阻止TAD之间的联系。

最近,马克斯普朗克分子遗传学研究所和柏林夏洛蒂医科大学的科学家们,根据三种不同的人类遗传性疾病,调查了TAD在疾病发生关联中的重要性。他们发现,变化——特别是在TAD界限的变化,可以导致基因调控的重大障碍,引发有关的疾病。研究结果表明,由于这种更高级别的基因组架构,疾病可能不仅是由编码基因本身变化引起的,而且也可能由远离那些基因的非编码区变化引起。

在他们的研究中,研究人员集中在三种不同的罕见疾病,这些疾病影响手和脚的骨骼。短指症——手指和脚趾的遗传性缩短;多趾畸形——患者长出额外的手指或脚趾;并趾患者——几个手指或脚趾融合在一起。所有这三种疾病都有遗传因素,并出现在胚胎发育过程中。

研究人员发现,这三种疾病是由于基因组中的不同结构变化引起的,如缺失、重复或倒置。在一段缺失中,大段的DNA缺失;在重置情况下,DNA片段增加了一倍;在倒置情况下,大段DNA序列是翻转的。这些变化可通过改变或删除TAD边界而破坏有关区域的TADS结构。

开展这项研究的MPIMP研究组组长Stefan Mundlos解释说:“基因组的结构变化是遗传病的一个常见原因。因此,确定这些疾病的诊断标准,就包括搜索这样的变化。然而,所发现的变化往往是难以解释的,而且它们是否真的就是疾病的根本原因,也不清楚。”因此,研究人员将在人类疾病中发现的遗传变化转移到小鼠基因组。为此,他们使用了一种改良的CRISPR/Cas技术(该研究组以前开发的)。这可让他们在很短的时间内,在小鼠基因组中诱导较大的结构变化。他表示:“我们的研究结果证明,这些人类疾病是由基因组的变化引起的:基因组发生改变的小鼠,表现出与患者相同的症状。”

直到现在,科学家们一直认为,基因功能的缺失,肯定是由基因本身或基因组调控单位的变化引起的,所谓的增强子,控制着基因的活性。然而,这项研究的结果表明,一个基因的环境,对距离几百万个碱基远的一个基因的正常功能,也有极大的影响。

Mundlos解释说:“DNA可以被想象成一个长螺纹,被一堵墙分成不同的部分或TAD。一个片段中的所有元件——基因、调控因子、转录因子、聚合酶等等,可以自由地相互作用。墙壁将这些片段分离,并保护他们不受邻近活动的影响。然而,个别墙壁可能被结构变化拆除或移位。反过来,这会改变TAD,突然之间,通常严格分开的元件之间能够相互作用。因此,基因可能被误调控,例如,导致我们一直在研究的畸形。“因此,这项研究对基因组变化引起疾病的机制,提出了新的见解。

参阅文献:
Disruptions of Topological Chromatin Domains Cause Pathogenic Rewiring of Gene-Enhancer Interactions
Cell. Available online 7 May 2015,doi:10.1016/j.cell.2015.04.004

Abstract:Mammalian genomes are organized into megabase-scale topologically associated domains (TADs). We demonstrate that disruption of TADs can rewire long-range regulatory architecture and result in pathogenic phenotypes. We show that distinct human limb malformations are caused by deletions, inversions, or duplications altering the structure of the TAD-spanning WNT6/IHH/EPHA4/PAX3 locus. Using CRISPR/Cas genome editing, we generated mice with corresponding rearrangements. Both in mouse limb tissue and patient-derived fibroblasts, disease-relevant structural changes cause ectopic interactions between promoters and non-coding DNA, and a cluster of limb enhancers normally associated with Epha4 is misplaced relative to TAD boundaries and drives ectopic limb expression of another gene in the locus. This rewiring occurred only if the variant disrupted a CTCF-associated boundary domain. Our results demonstrate the functional importance of TADs for orchestrating gene expression via genome architecture and indicate criteria for predicting the pathogenicity of human structural variants, particularly in non-coding regions of the human genome.

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