Strukturvarianten: Typen und Mechanismen

Strukturvarianten umfassen die verschiedenen Arten, wie ein Genom auf segmentaler Ebene umgeordnet werden kann – Deletionen, Duplikationen, Insertionen, Inversionen und Translokationen – zusammen mit den Mutationsprozessen, die sie erzeugen. Die Unterscheidung dieser Typen und das Verständnis ihrer mechanistischen Ursprünge ermöglicht es, eine Umordnung zu benennen, ihre Bruchpunkte zu interpretieren und ihre wahrscheinlichen Konsequenzen abzuleiten.

Definition

Strukturvarianten sind genomische Veränderungen, die DNA-Segmente betreffen – einschließlich Deletionen, Duplikationen, Insertionen, Inversionen sowie inter- oder intrachromosomale Translokationen. Sie werden als balanciert klassifiziert, wenn der gesamte Sequenzinhalt erhalten bleibt, und als unbalanciert, wenn er gewonnen oder verloren wird.

Scope

Dieses Thema behandelt die wichtigsten Klassen von Strukturvarianten und den Kontrast zwischen balancierten (die den gesamten DNA-Gehalt erhalten) und unbalancierten (die ihn verändern) Umordnungen. Anschließend wird jede Klasse mit den DNA-Reparatur- und Rekombinationsmechanismen in Verbindung gebracht, die sie erzeugen. Es handelt sich um eine referenzielle Darstellung der Variantentaxonomie und -mechanismen, nicht um eine klinische Leitlinie.

Core questions

• Was sind die Hauptklassen von Strukturvarianten und wie unterscheiden sie sich?
• Welche Varianten sind balanciert im Gegensatz zu unbalanciert, und warum ist diese Unterscheidung wichtig?
• Durch welche Mechanismen – Rekombination, Replikationsfehler, Reparatur, Retrotransposition – entstehen sie?
• Was unterscheidet wiederkehrende Varianten mit gemeinsamen Bruchpunkten von nicht-wiederkehrenden?

Key concepts

• Deletion, Duplikation, Insertion, Inversion, Translokation
• Balancierte vs. unbalancierte Umordnung
• Wiederkehrende vs. nicht-wiederkehrende Variante
• Bruchpunkt- und Übergangssequenz
• Nicht-homologes Endjoining (NHEJ)
• Mikrohomologie
• Komplexe Strukturvariante

Key theories

Nicht-allelische homologe Rekombination (NAHR)

Die Rekombination zwischen hochähnlichen, aber nicht-allelischen Wiederholungskopien, wie z.B. segmental duplizierten Regionen, die einen Bereich flankieren, führt zu wiederkehrenden Deletionen und Duplikationen, deren Bruchpunkte innerhalb der gemeinsamen Wiederholungen gruppiert sind.

Replikationsbasierte Umordnung (FoSTeS / MMBIR)

Gabelstopp und Matrizenwechsel (FoSTeS) sowie Mikrohomologie-vermittelte bruchinduzierte Replikation (MMBIR) erklären nicht-wiederkehrende und komplexe Umordnungen, bei denen die Replikationsmaschinerie unter Verwendung kurzer Mikrohomologie-Abschnitte die Matrize wechselt und entfernte Sequenzen verbindet.

Mechanisms

Strukturvarianten werden durch eine kleine Anzahl gut charakterisierter Prozesse erzeugt. Die nicht-allelische homologe Rekombination nutzt lange Abschnitte nahezu identischer Sequenzen – häufig segmentale Duplikationen – als Substrate, was zu wiederkehrenden Deletionen und Duplikationen mit reproduzierbaren Bruchpunkten führt. Nicht-homologes Endjoining und Mikrohomologie-vermitteltes Endjoining reparieren Doppelstrangbrüche durch Wiederverbindung der Enden, oft mit kleinen Deletionen oder Insertionen und wenig oder keiner Homologie. Replikationsbasierte Mechanismen (Gabelstopp und Matrizenwechsel sowie Mikrohomologie-vermittelte bruchinduzierte Replikation) erzeugen nicht-wiederkehrende und komplexe Ereignisse durch Matrizenwechsel während der Replikation. Retrotransposition fügt neue Kopien mobiler Elemente ein. Jeder Mechanismus hinterlässt charakteristische Übergangssignaturen, die durch Paired-End- und Split-Read-Sequenzierung aufgelöst werden können.

Clinical relevance

Die Klasse und der Mechanismus einer Strukturvariante beeinflussen, wie sie in den Gesundheitswissenschaften interpretiert wird – balancierte Umordnungen können ein Gen an einem Bruchpunkt stören, während die Dosis intakt bleibt, wohingegen unbalancierte Ereignisse die Genkopienzahl verändern. Dieser Eintrag erklärt Variantentypen und ihre mechanistischen Ursprünge als konzeptionellen Rahmen und ist keine Grundlage für individuelle Diagnosen oder Behandlungen.

Epidemiology

Paired-End- und Read-Depth-Sequenzierungsstudien haben gezeigt, dass Deletionen die am häufigsten katalogisierte unbalancierte Variante sind, wobei Duplikationen, Insertionen und Inversionen ebenfalls häufig vorkommen, und dass der Mechanismus eine Populationssignatur hinterlässt: Regionen, die von langen homologen Repeats flankiert werden, zeigen wiederkehrende Varianten, während ein Großteil der verbleibenden Strukturvariationen nicht-wiederkehrend ist. Integrierte Karten über Tausende von Genomen haben den relativen Beitrag jeder Klasse quantifiziert.

History

Als genomweite Untersuchungen zeigten, dass Strukturvariationen weit verbreitet sind, richtete sich die Aufmerksamkeit auf ihre Entstehung. Lupskis Arbeiten zu wiederkehrenden Genomstörungen etablierten die nicht-allelische homologe Rekombination als einen Mechanismus, der mit der Genomarchitektur verbunden ist, und die Synthese von Hastings, Lupski, Rosenberg und Ira aus dem Jahr 2009 ordnete Rekombinations-, Replikations- und Reparatur-basierte Wege in einem einheitlichen Rahmen. Die Paired-End-Sequenzierung ermöglichte es dann, Bruchpunktübergänge direkt abzulesen und Mechanismen aus den Übergangssignaturen abzuleiten.

Debates

Wie häufig sind komplexe Umordnungen mit mehreren Bruchpunkten?

Replikationsbasierte und katastrophale Prozesse können Varianten mit mehreren Bruchpunkten erzeugen, die sich einer einfachen Klassifizierung entziehen; ihre wahre Prävalenz und mechanistischen Grenzen werden weiterhin untersucht, da Long-Read-Methoden mehr Übergänge auflösen.

Key figures

• James R. Lupski
• P. J. Hastings
• Jan O. Korbel
• Stephen W. Scherer
• Evan E. Eichler

Seminal works

• feuk-2006
• hastings-2009
• korbel-2007

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einer balancierten und einer unbalancierten Strukturvariante?

Eine balancierte Variante, wie eine Inversion oder eine reziproke Translokation, ordnet die DNA neu an, ohne die Gesamtmenge der Sequenz zu verändern, während eine unbalancierte Variante, wie eine Deletion oder Duplikation, genomisches Material gewinnt oder verliert.

Warum treten einige Strukturvarianten an denselben Bruchpunkten wieder auf?

Wiederkehrende Varianten entstehen typischerweise durch nicht-allelische homologe Rekombination zwischen langen, nahezu identischen Wiederholungskopien, die eine Region flankieren, sodass die Bruchpunkte innerhalb dieser gemeinsamen Wiederholungen liegen und bei nicht verwandten Individuen wieder auftreten.