第十一章-基因组变异与疾病

1、第十一章 基因组变异与疾病Genomic Variations & Diseases,基因组变异 = 不同个体基因组之间的差异,Scherer et al. 2007,分子遗传学检测基因组变异大小范围细胞遗传学检测,序列变异 结构变异,基因组变异: (a) 常染色体SNP密度的基因组分布。颜色显示1 Mb区段的SNP密度，红色最高，蓝色最低(Kin 2007)。SNP密度=SNPs数除以1 Mb区段内可读的碱基数。少于75%的碱基可读的区段显示灰色。注意在6p的HLA区SNP变异高发，亚端粒区和3p21区密度很低。 (b) CEU人群6号染色体变异分布：从下至上为GC含量（蓝）、SNPs密度（

2、黑）和小indels（红），其中1017个结构变异（SV）分类（NAHR:非等位基因同源重组；NHEJ/MMBIR:非同源末端重接/微同源介导断点诱导复制；TEI:可转座元件插入；或其他）。MHC区密度显著增加，单位密度/100kb,人类基因组变异 = 不同个体基因组之间的差异,每个人的 DNA 几乎都是一样的 全部差异 = 基因组的0.1% ,GATTTAGATCGCGATAGAG GATTTAGATCTCGATAGAG,你 相 信 吗 ,测序成本 / Genome快速下降,千人基因组计划”协作组 Nature 491, 5665 (1 November 2012) 目的： 通过描绘人类遗传

3、学变异的物理（位置）和功能图谱，建立一个资源以帮助理解其对人类疾病的遗传学贡献 方法： 对来自14个种族1092个人进行低覆盖全基因组和外显子组测序 结果：验证的单体型图： 38m 单核苷酸多态（SNPs） 1.4m 短插入/重复 （indels） 14,000 大片段缺失,遗传学变异整合图,The 1000 Genomes Project (2008,人群之间的遗传学变异,HapMap是人类基因组中常见变异/多态位点的目录，描述其形式、物理位置、在同一群体内部和不同人群间的分布状况。 SNPs也是进行基因定位的分子标记。比如可以比较高血压患者和正常人的SNPs。如果某一个SNP在高血压患者中

4、很常见，就可以把这个SNP作为标记来定位和识别与疾病相关的基因。 在人类染色体的很多区域中，只发现了少数的几种单体型。HapMap计划将鉴定来自世界不同地区的四个群体的常见单体型，以及特异识别这些单体型的标签SNPs。 一旦从HapMap中获得标签SNPs的信息，可以利用它们来定位与重要医学特征相关的基因。对标签SNPs进行基因分型就可以得到一个人的单体型的集合。如果高血压患者都倾向于具有一个特别的单体型，与该疾病相关的变异位点很可能就在这个单体型内部或邻近区域,国际人类基因组单体型图(HapMap)计划,HapMap构建的三个步骤： 在多个个体的DNA样品中鉴定SNPs（约1000万常见SN

5、Ps）； 将群体中频率大于1%的那些共同遗传的相邻SNPs组合成单体型（基因分型）； 在单体型中找出用于识别这些单体型的标签SNPs（3060万）。通过对图中的三个标签SNPs进行基因分型，可以确定每个个体拥有图示的四个单体型中的哪一个,国际人类基因组单体型图(HapMap)计划,两个祖先经过多代的重组拼接产生不同的子代染色体。如果祖先的一个多态位点（X标记）会增加罹患某种疾病的风险，当代的两个遗传了祖先带X标记部分的个体也会增加这种风险。附近有许多SNPs可以用来定位此处变异。 经过多代反复的重组事件，祖先染色体的片段的原有排布在非近亲结婚的人群中已被打乱。某些祖先片段会在许多后代个体的DN

6、A序列中出现。这些是没有被重组打破的区段，相互间被那些发生了重组的区域隔开。利用这些区段（单体型）可以寻找疾病相关基因,国际人类基因组单体型图(HapMap)计划,化石记录和遗传证据表明，解剖学上的现代人类始祖居住于15万年前的非洲。因为人类是一个相对年轻的物种，任何现代人群的大多数变异都来自于祖先中就已经存在的多态性。而且，当走出非洲的时候，他们带走了部分而不是全部的祖先的遗传多态性。因此，非洲以外的单体型可以看作是非洲单体型的子集。另外，非洲以外的人类的单体型比非洲人的单体型更长，因为非洲人有更长的历史，也就有更多的重组来打破单体型。 随着现代人遍布到世界各地，由于随机性、自然选择和其它的

7、遗传机制，各个地区人群的单体型频率也变得不同。另外，DNA序列新的变化（即突变），也可以产生的单体型，大多数这种新近产生的单体型没有足够的时间传播到其他的人群和地区,基因组变异/疾病模型,寻找缺失的遗传度：基因个体不代表疾病、行为和其它表型遗传度的大部分。一个人的疾病易感性更加依赖背景中全部基因的组合，而不是前台的致病基因(复杂变异复杂疾病)。表观遗传可以解释复杂疾病的风险,基因组变异与人类经典遗传性状,人类耳垢性状决定基因ABCC11的克隆,首次发现单个SNP(538GA)决定人类可见遗传性状 GG/GA 油耳(野生型) ； AA 糠耳(突变型) ABCC11基因的单个SNP变异决定人类耳垢

8、性状,人类耳垢性状决定基因ABCC11的克隆,ABCC11调节人类顶浆分泌腺（大汗腺：叮咛、腋下和乳腺）分泌通道，对揭示狐臭、初乳量、乳腺癌等的发生机理及其药物开发具有重要的意义,人类耳垢性状决定基因ABCC11的克隆,北南和东西的地理梯度降低： 中国东北/韩国人群（95%）日本/南亚/美洲土著人群（85%50%）欧洲人群（3%）非洲人群（1%）。 提示A等位基因突变约5万年前发生于蒙古/中国人群，经自然选择（2000代）并随着人群的迁移散布至整个亚洲/美洲土著人群。 蒙古/中国人群日本人群 (50,000 YA,全世界33个种族人群的A等位基因频率分析,常见变异与疾病-全基因组相关分析GWA

9、S,遗传变异与药物反应/药物基因组学,遗传变异与药物反应/药物基因组学,乙醛脱氢酶基因(ALDH)的一个错义突变分布东亚约5亿人中，与上消化道癌风险增高相关 Brooks PJ, et al. Hum Genomics 2009, 3:103-105,在线人类孟德尔遗传 （Online Mendelian Inheritance in Man, OMIM,在线人类基因和遗传病目录（至2014年4月6日,罕见变异-罕见病/单基因遗传病,,OMIM #603903 镰形红细胞贫血 （1959-1978,OMIM #203500 黑尿症（1902,谁的基因组被测序

10、,人类基因组参照序列并不与任何一个人的基因组准确匹配。 基因组草图由来自不同种族和民族的大约10-20个匿名个体的DNA组成,IHGSC. Nature (2001) 409 860-921,国际人类基因组测序协作组,Redon et al. Nature 2006,CNVs无处不在,SNPs不是全部: 介绍拷贝数变异 (CNVs,Humans are 99.5% identical (not 99.9,检测270个人,发现1,447拷贝数变异区域(CNVRs),包含360Mb(占基因组的12,人类基因组变异谱,人类基因组结构变异图,包括缺失、插入和重复片段（1 kb） 属于常见变异，约占基因

11、组的12% (Redon et al. 2006) 可能涉及表型变异和疾病 迄今大部分检测方法分辨率低(50 kb,CNVs,结构变异对表型的影响,人类基因组结构变异的检测方法,为什么要研究结构变异,在“正常人”基因组中常见：是表型变异的主要原因 在某些疾病中常见，特别是癌症 在罕见病中已被发现，尤其是智力障碍、孤独症和精神分裂症等,研究结构变异的困难,常常涉及重复区域 结构重排是复杂的 可以涉及高度重复元件,常见拷贝数变异/多态（CNPs,人类基因组存在很多CNVs 许多CNVs与GWAS识别的变异共定位，是理想的功能研究候选区 然而，大部分CNPs已经有很好的SNPs标签，因此并不能为常见

12、病带来新的相关常见变异,复杂疾病相关的CNVs,拷贝数变异 (CNVs,是指染色体显带不能识别的大小在1Kb到数Mb范围的基因组之间DNA片段的不平衡，包括缺失、重复、三体、插入和不平衡易位等。CNVs可以为遗传性的也可以是散发的。 1kb到50kb大小的CNVs，由于没有可行的精确的分子学方法在不同人群的全基因组水平上进行这些细小重排的研究，所以作用不明。 大的新发的CNVs通常被认为是致病的。 CNVs的表型效应取决于拷贝数改变中是否存在剂量敏感基因、基因组重排是否破坏了基因或产生位置效应、基因的调控序列是否被基因组重排所影响以及缺失发生使等位隐性基因的功能显现等,CNVs的致病机制,TE

13、L,A,B,C,TEL,A,B,C,异常重排,人类疾病,配子,三倍剂量效应、单体型不足和印迹基因,基因组病的概念,基因组病（Genomic Disorders）：1998年由美国贝勒医学院的 Lupski 提出，系指因基因组结构特征导致基因组重排所致的基因组拷贝数变异（CNVs）引发的一类疾病称为基因组病。 染色体微缺失/微重复综合征 单基因病和复杂疾病等,微缺失微重复综合征,1980s以来，发现染色体微缺失和微重复导致智力障碍和发育迟缓。 典型例子：与PraderWilli 和 Angelman 综合征相关的15q11q13缺失 与SmithMagenis综合征相关的17p11缺失 与Wil

14、liamsBeuren综合征相关的7q11缺失 与腭心面综合征相关的22q11缺失 在首次报道和描述时，每种疾病均以收集一系列共有可识别临床特征的病人为基础。临床描述确定后，这些综合征的分子基础不断被发现形成“表型先导”的发现模式。 细胞遗传学技术的发展，包括高分辨核型分析和荧光原位杂交技术，针对与每种疑似诊断相关的缺失和重复的诊断性检测方法应运而生,染色体微缺失和微重复是拷贝数变异（CNVs）的一部分。 CNVs指的是与参照人群基因组相比较时，某个片段DNA序列的获得或者缺失。 CNV的大小可以从1Kb到数个Mb，甚至是整条染色体（三体和单体），可以涉及多个、单个基因，或者不涉及基因。 尽管

15、有些CNVs是致病性的，但在群体中也存在很多其它的良性CNVs,微缺失微重复综合征,CNVs包括两大类：复发性CNVs和非复发性CNVs 复发性CNVs：通常由减数分裂阶段发生非等位基因同源重组（NAHR）引起，其断点位于CNV侧翼的大重复序列区域。由于断点集中在确定的区域内，复发性CNVs的大小范围在不相关个体中基本是一样的,微缺失微重复综合征,非复发性CNVs： 相比之下，非复发性CNVs的断点通常位于单一序列，并非源于诱导性的基因组结构。 非复发性CNVs可由几种不同机制引起，包括非同源末端重接和复制叉停滞与模版转换（FoSTeS）。因此，尽管两个不相关个体可能带有重叠的非复发性CNVs

16、，但它们一般不会共享相同的断点,微缺失微重复综合征,常见的微缺失微重复综合征,孟德尔遗传/单基因病,孟德尔遗传/单基因病,多基因病/复杂疾病/常见病,染色体病/基因组病和基因病诊断/产前诊断高技术平台,中南大学医学遗传学国家重点实验室、国家生命科学与技术人才培养基地 中国遗传医学中心-湖南、湘雅医院产前诊断中心、湖南家辉遗传专科医院,定义CNVs的致病性,CNV的临床相关性：遗传性、大小、类型和包含的基因 CNV遗传方式临床和家系信息，相对遗传的CNVs，新发的CNVs更加可能是致病的，尤其是严重疾病，当然也有例外的情况。相反，如1q12.1综合征等的情况一样，遗传的CNVs也可能导致一系列严重的和神经发育疾病表型，可以是明确致病性，尽管携带这些CNVs的父或母方可能表现正常表型。 基于经济或社会的原因，有时很难对父母进行检测。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，改变某个剂量敏感性元件的几率也