Cell重磅：疾病相關短串聯(lián)重復序列（STR）與染色質結構域邊界共定位

發(fā)稿時間：2018-09-11來源：天昊生物

 

短串聯(lián)重復序列（Short Tandem Repeats, STR），或稱簡單重復序列（Simple Sequence Repeats, SSR）及微衛(wèi)星（Microsatellite），通常是基因組中由1~6個堿基單元（motif）組成的一段DNA重復序列。前人研究已經充分證明，STR在基因組上的變化與人類遺傳疾病之間有著密切的關系。剛剛在今年6月份，天昊基因科技（蘇州）有限公司與浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院（浙醫(yī)二院）神經內科羅巍教授合作，發(fā)表于國際臨床神經病學及神經科學頂級期刊《Brain》的文章 “Intronic pentanucleotide TTTCA repeat insertion in the SAMD12 gene causes familial cortical myoclonic tremor with epilepsy type 1”，就首次報道了中國人群SAMD12基因內含子區(qū)五核苷酸（TTTCA）重復插入導致家族性皮層肌陣攣性震顫癲癇1型（【昊文章】天昊基因與浙醫(yī)二院合作發(fā)現(xiàn)SAMD12基因內含子區(qū)五核苷酸（TTTCA）重復插入導致家族性皮層肌陣攣性震顫癲癇1型）。緊接著就在上周，Cell雜志又以Article形式報道了重量級研究成果，發(fā)現(xiàn)疾病相關短串聯(lián)重復序列（STR）與染色質結構域邊界之間密切相關。

 

發(fā)表期刊：Cell 發(fā)表時間：2018-8-27 影響因子：31.398

 

 

 

摘要一覽

超過25種人類遺傳性疾病是由STRs的不穩(wěn)定擴展引起的，但人們仍不清楚為什么人類基因組中一些STRs易受不穩(wěn)定擴展的影響，而其它成千上萬的重復片段卻相對穩(wěn)定。本研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有與疾病相關的STRs (disease-associated STRs, daSTRs )都位于3D染色質結構域的邊界處。與基因組的其余部分相比，研究人員發(fā)現(xiàn)了邊界處的CpG島密度明顯較高，而daSTRs就極其特別的定位在了這些超高密度CpG島的邊界區(qū)域，這表明它們可能是表觀遺傳調控錯誤或與STR擴展相關的拓撲結構破壞的熱點。脆弱X綜合征患者(FXS)表現(xiàn)出嚴重的邊界破壞情況，其方式與CTCF (CCCTC結合因子)占用率的局部損失和FMR1沉默程度相關。本研究結果揭示了高階染色質結構為理解STRs相關疾病提供了新的視角。●

 

研究方法

o 實驗樣本：B淋巴細胞、成纖維細胞、脆弱X綜合征死者冷凍小腦組織等。

o 實驗方法：ChIP-seq、Hi-C、qRT-PCR等。

 

研究結果

o daSTRs與染色質結構域邊界在人類ESCs細胞中共定位

拓撲關聯(lián)域(Topologically Associating Domains, TAD)是基因組中的相接觸區(qū)域，域內基因座與域外的基因座相比具有更高的相互作用頻率。染色質域邊界是被TADs/子TADs分開的連接點區(qū)域。曾有報道認為該邊界的破壞與癌癥和肢體發(fā)育疾病有關。

本研究首先利用已經報道的健康人ESCs細胞的Hi-C圖譜數(shù)據(jù)，得到2384個TADs，分析后驚人發(fā)現(xiàn)27中的11個daSTR位于TADs邊界處，包括FMR (脆性X綜合征)、HTT (亨廷頓氏病)、DMPK (強直性肌營養(yǎng)不良癥1)、FXN (弗里德里克共濟失調)、C9orf72 (肌萎縮側索硬化)和ATXN1 (脊髓小腦共濟失調1)等，表明3D基因組折疊與STR擴展類遺傳疾病相關。

 

 

圖1、人類ESCs細胞的40 kb binned Hi-C數(shù)據(jù)熱圖。幾乎所有疾病相關STRs都位于人類ESCs細胞中染色質結構域邊界。(A) daSTR基因座與TAD (藍色)和(B)子TAD (黃色)邊界共定位。含有daSTR (紅色)的基因(綠色)顯示在熱圖下方。daSTR處的域邊界用黑色箭頭劃界。(C)堆積條形圖顯示位于人類ESCs細胞中TAD、子TAD或定性結構域邊界的daSTRs數(shù)量。

 

o daSTRs定位到域邊界的數(shù)量明顯多于基因組范圍內正常長度的STR

 

圖2、daSTRs與正常STR相比更容易在邊界處被發(fā)現(xiàn)

 

o daSTRs在不同類型體細胞中的TADs共定位

分析發(fā)現(xiàn)daSTRs在胚胎和體細胞的邊界同樣存在共定位現(xiàn)象，以及神經疾病相關的daSTRs與人類皮層組織染色體域邊界共定位。

 

o 包含daSTRs的邊界具有超高密度CpG島特征

染色體域邊界可以分成至少兩組: (1) CpG島密度高、CTCF占用率高的，以及(2) CpG島密度低的。本研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有的daSTRs都集中在富含CpG島的邊界，而不是沒有CpG島或域內CpG島的邊界。

 

圖3、包含daSTRs的邊界存在超高密度CpG島現(xiàn)象

該結果表明超高密度CpG島和TAD邊界使得相關基因組位置易于產生STR不穩(wěn)定性。

 

o 脆性X綜合征患者FMR1 daSTR處的TAD邊界消融及CTCF占用率變化現(xiàn)象，并且與FMR1沉默相關

值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)來自脆弱X綜合征B細胞、成纖維細胞和死者腦組織的嚴重邊界破壞現(xiàn)象。邊界破壞的程度與FMR1沉默的程度以及鄰近FMR1 daSTR的特定區(qū)域的CTCF占用率損失相關。這些數(shù)據(jù)共同支持了一個工作模型，在該模型中，3D染色質結構域邊界的關鍵子集上的獨特遺傳、表觀遺傳和拓撲狀態(tài)可能與相應基因組中STR不穩(wěn)定性易感性的增加有關 。

 

 

圖4、CpG島、3D基因組結構、STR不穩(wěn)定性和基因表達之間關系模型圖。(A)具有高CpG島密度的結構域邊界對STR不穩(wěn)定性的作用的工作模型。(B和C)示意圖概述了局部拓撲環(huán)境和初始重復擴展邊界破壞和FMR1沉默之間可能的因果關系。

 

結論

o 疾病相關的短串聯(lián)重復序列與TADs/子TADs邊界共定位。

o 短串聯(lián)重復定位邊界顯示高密度CpG島。

o 脆性X綜合征中與FMR1共定位的邊界在結構上被破壞。

o 邊界破壞與FMR1沉默和CTCF占用率損失相關。

 

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