ژنتیک ساختاری و تغییرات ساختاری

تغییرات ساختاری دسته‌ای از تفاوت‌های ژنتیکی هستند که در آن‌ها قطعاتی از DNA — معمولاً بزرگ‌تر از یک تغییر تک‌باز — حذف، تکثیر، درج، وارونگی یا جابه‌جایی می‌یابند و در نتیجه تعداد کپی، جهت‌گیری یا موقعیت بخش‌هایی از ژنوم را تغییر می‌دهند. این تغییرات، همراه با ناهنجاری‌های کروموزومی که این حوزه از آن‌ها نشأت گرفته است، سهم بزرگی از جفت‌بازهایی را تشکیل می‌دهند که بین دو ژنوم انسانی متفاوت هستند و به طور قابل توجهی هم در تنوع طبیعی و هم در بیماری نقش دارند.

Definition

تغییرات ساختاری شامل تغییرات ژنومی است که بخش‌های DNA را تحت تأثیر قرار می‌دهد — معمولاً آن‌هایی که تقریباً یک کیلوباز یا بزرگ‌تر هستند، اگرچه اکنون تشخیص به موارد کوچک‌تر نیز گسترش یافته است — از جمله حذف‌ها، تکثیرها، واریانت‌های تعداد کپی، درج‌ها، وارونگی‌ها و جابه‌جایی‌ها، که به عنوان مکملی برای تغییرات تک‌نوکلئوتیدی و درج/حذف‌های کوتاه در نظر گرفته می‌شوند.

Scope

این بخش خواننده را با چگونگی تغییر ژنوم در مقیاس قطعات به جای نوکلئوتیدهای منفرد آشنا می‌کند. این بخش شامل اصول عملی تشخیص و طبقه‌بندی واریانت‌های تعداد کپی، فهرست انواع واریانت‌های ساختاری و مکانیسم‌های جهشی که آن‌ها را ایجاد می‌کنند، معماری تکراری (تکثیرهای قطعه‌ای) که مناطق ژنومی خاص را مستعد بازآرایی‌های مکرر می‌کند، عناصر متحرکی که به طور فعال ژنوم را بازسازی می‌کنند، و سازماندهی تنوع در سطح جمعیت به هاپلوتایپ‌ها است. این یک راهنمای مرجع است، نه یک راهنمای بالینی.

Sub-topics

• copy number variants detection
• haplotype blocks population structure
• mobile elements transposons
• segmental duplications genomic disorders
• structural variants mechanisms

Core questions

• چه انواعی از واریانت‌های ساختاری وجود دارد و از طریق چه مکانیسم‌هایی ایجاد می‌شوند؟
• چگونه واریانت‌های تعداد کپی و ساختاری از داده‌های ژنومی تشخیص داده، اندازه‌گیری و طبقه‌بندی می‌شوند؟
• کدام ویژگی‌های معماری ژنوم، مناطق خاصی را مستعد بازآرایی‌های مکرر می‌کند؟
• تغییرات ساختاری چگونه در جمعیت‌ها توزیع می‌شود و چه ارتباطی با ساختار هاپلوتایپ دارد؟

Key concepts

• واریانت ساختاری (SV)
• واریانت تعداد کپی (CNV)
• بازآرایی متعادل در مقابل نامتعادل
• واریانت‌های مکرر در مقابل غیرمکرر
• تکثیر قطعه‌ای و معماری ژنومی
• درج عنصر متحرک
• هاپلوتایپ و عدم تعادل پیوستگی

Mechanisms

واریانت‌های ساختاری از طریق چندین مسیر کلی ایجاد می‌شوند. مکانیسم‌های مبتنی بر نوترکیبی — عمدتاً نوترکیبی همولوگ غیرآللی بین کپی‌های تکراری بسیار مشابه مانند تکثیرهای قطعه‌ای — حذف‌ها و تکثیرهای مکرر با نقاط شکست مشترک را تولید می‌کنند. مکانیسم‌های مبتنی بر همانندسازی، از جمله توقف چنگال همانندسازی و تغییر الگو (fork stalling and template switching) و همانندسازی القاشده با شکست با واسطه ریزهمولوژی (microhomology-mediated break-induced replication)، بازآرایی‌های غیرمکرر و اغلب پیچیده را ایجاد می‌کنند. اتصال انتهای غیرهمولوگ (non-homologous end joining) شکست‌های دو رشته‌ای را به گونه‌ای ترمیم می‌کند که می‌تواند توالی را حذف یا درج کند، و رتروترانسپوزیشن (retrotransposition) عناصر متحرک را در مکان‌های جدید کپی می‌کند. این فرآیندها تعداد کپی، جهت‌گیری توالی یا مکان ژنومی را تغییر می‌دهند، و اثرات آن‌ها از داده‌های توالی‌یابی و آرایه برای تشخیص و طبقه‌بندی واریانت‌ها بازخوانی می‌شود.

Clinical relevance

تغییرات ساختاری زیربنای بخش قابل توجهی از بیماری‌های ژنتیکی است، از سندرم‌های ریزحذف و ریزتکثیر مکرر با واسطه معماری ژنومی گرفته تا بازآرایی‌های سوماتیک در سرطان. درک چگونگی تشخیص و طبقه‌بندی این واریانت‌ها برای تفسیر یافته‌های ژنومی در علوم بهداشتی اساسی است. این بخش نحوه مفهوم‌سازی و اندازه‌گیری تغییرات ساختاری را توضیح می‌دهد و مبنایی برای تصمیم‌گیری‌های تشخیصی یا درمانی فردی نیست.

Epidemiology

پروژه‌های مرجع بزرگ نشان داده‌اند که واریانت‌های ساختاری، اگرچه از نظر تعداد بسیار کمتر از واریانت‌های تک‌نوکلئوتیدی هستند، اما بر تعداد کل جفت‌بازهای متفاوت بین ژنوم‌ها تأثیر بیشتری می‌گذارند. نقشه تغییرات ساختاری پروژه 1000 ژنوم، ده‌ها هزار واریانت ساختاری را در هزاران فرد از جمعیت‌های مختلف فهرست‌بندی کرد و فراوانی‌های پایه و فراوانی نسبی حذف‌ها، تکثیرها و درج‌های عناصر متحرک را در اجداد انسانی مختلف مشخص کرد.

History

مطالعه تغییرات ژنومی در مقیاس بزرگ با سیتوژنتیک و شناسایی ناهنجاری‌های کروموزومی قابل مشاهده آغاز شد. فناوری‌های مبتنی بر آرایه و توالی‌یابی در دهه 2000 نشان دادند که تغییرات ساختاری و تعداد کپی زیرمیکروسکوپی حتی در افراد سالم نیز شایع است و تغییرات ساختاری را به عنوان یک جزء معمول ژنوم به جای یک رویداد پاتولوژیک نادر بازتعریف کرد. کاتالوگ‌های مرجع از تلاش‌های HapMap و 1000 ژنوم و از مطالعات متمرکز بر تغییرات ساختاری، سپس این تغییرات را در یک بستر جمعیتی قرار دادند.

Debates

توالی‌یابی با خوانش کوتاه تا چه حد می‌تواند تغییرات ساختاری را به طور کامل ثبت کند؟

داده‌های خوانش کوتاه، حذف‌ها و بسیاری از تغییرات تعداد کپی را به خوبی تشخیص می‌دهند، اما به طور سیستماتیک درج‌ها، وارونگی‌ها و واریانت‌های موجود در مناطق تکراری یا تکثیر شده را از دست می‌دهند؛ این حوزه همچنان در مورد اینکه چه مقدار از چشم‌انداز واریانت‌های ساختاری تا زمانی که روش‌های خوانش بلند و مبتنی بر مونتاژ به طور جهانی به کار گرفته شوند، پنهان می‌ماند، بحث می‌کند.

Key figures

• Stephen W. Scherer
• Evan E. Eichler
• James R. Lupski
• Charles Lee
• Matthew Hurles

Seminal works

• feuk-2006
• alkan-2011
• sudmant-2015
• 1000genomes-2015

Frequently asked questions

تغییرات ساختاری چه تفاوتی با واریانت تک‌نوکلئوتیدی دارد؟

واریانت تک‌نوکلئوتیدی یک باز را تغییر می‌دهد، در حالی که تغییرات ساختاری یک قطعه کامل از DNA را تغییر می‌دهد — آن را حذف، تکثیر، درج، وارونه یا جابه‌جا می‌کند — بنابراین به طور همزمان بر بسیاری از بازها تأثیر می‌گذارد و با روش‌های متفاوتی تشخیص داده می‌شود.

آیا تغییرات ساختاری همیشه مضر هستند؟

خیر. بیشتر واریانت‌های ساختاری پلی‌مورفیسم‌های رایجی هستند که توسط افراد سالم حمل می‌شوند؛ تنها زیرمجموعه‌ای از آن‌ها، که اغلب شامل ژن‌های حساس به دوز یا مناطق ژنومی خاص هستند، با بیماری مرتبط هستند.