Genômica Estrutural e Variação Estrutural

A variação estrutural é a classe de diferenças genéticas em que segmentos de DNA — tipicamente maiores do que uma única alteração de base — são deletados, duplicados, inseridos, invertidos ou translocados, alterando o número de cópias, a orientação ou a posição de trechos do genoma. Juntamente com as aberrações cromossômicas das quais o campo se originou, as variantes estruturais respondem por uma grande parte dos pares de bases que diferem entre quaisquer dois genomas humanos e contribuem substancialmente tanto para a variação normal quanto para a doença.

Definition

A variação estrutural compreende alterações genômicas que afetam segmentos de DNA — convencionalmente aqueles de aproximadamente um quilobase ou maiores, embora a detecção agora se estenda a tamanhos menores — incluindo deleções, duplicações, variantes de número de cópias, inserções, inversões e translocações, consideradas como um complemento à variação de nucleotídeo único e indels curtos.

Scope

Esta área orienta o leitor sobre como o genoma varia na escala de segmentos, em vez de nucleotídeos únicos. Ela agrupa os elementos essenciais operacionais de detecção e classificação de variantes de número de cópias, o catálogo de tipos de variantes estruturais e os mecanismos mutacionais que as criam, a arquitetura de repetições (duplicações segmentares) que predispõe regiões genômicas específicas a rearranjos recorrentes, os elementos móveis que remodelam ativamente o genoma e a organização em nível populacional da variação em haplótipos. É uma orientação de referência, não uma orientação clínica.

Sub-topics

• Variantes de Número de Cópias: Detecção e Classificação
• Blocos de Haplótipos e Organização Estrutural em Nível Populacional
• Elementos Móveis e Elementos Transponíveis
• Duplicações Segmentares e Regiões de Distúrbios Genômicos
• Variantes Estruturais: Tipos e Mecanismos

Core questions

• Que tipos de variantes estruturais existem e por quais mecanismos elas surgem?
• Como a variação de número de cópias e estrutural é detectada, dimensionada e classificada a partir de dados genômicos?
• Quais características da arquitetura do genoma predispõem regiões particulares a rearranjos recorrentes?
• Como a variação estrutural se distribui entre as populações e se relaciona com a estrutura do haplótipo?

Key concepts

• Variante estrutural (SV)
• Variante de número de cópias (CNV)
• Rearranjo balanceado vs. desbalanceado
• Variantes recorrentes vs. não recorrentes
• Duplicação segmentar e arquitetura genômica
• Inserção de elemento móvel
• Haplótipo e desequilíbrio de ligação

Mechanisms

As variantes estruturais surgem por várias vias amplas. Mecanismos baseados em recombinação — principalmente recombinação homóloga não alélica entre cópias de repetições altamente semelhantes, como duplicações segmentares — produzem deleções e duplicações recorrentes com pontos de quebra compartilhados. Mecanismos baseados em replicação, incluindo o travamento do garfo de replicação e a troca de molde (fork stalling and template switching) e a replicação induzida por quebra mediada por microhomologia (microhomology-mediated break-induced replication), geram rearranjos não recorrentes e frequentemente complexos. A junção de extremidades não homólogas (non-homologous end joining) repara quebras de fita dupla de maneiras que podem deletar ou inserir sequências, e a retrotransposição copia elementos móveis para novos locais. Esses processos alteram o número de cópias, a orientação da sequência ou a localização genômica, e suas pegadas são lidas a partir de dados de sequenciamento e array para detectar e classificar as variantes.

Clinical relevance

A variação estrutural subjaz a uma fração significativa de doenças genéticas, desde síndromes de microdeleção e microduplicação recorrentes mediadas pela arquitetura genômica até rearranjos somáticos no câncer. Compreender como essas variantes são detectadas e classificadas é fundamental para interpretar achados genômicos nas ciências da saúde. Esta área descreve como a variação estrutural é conceitualizada e medida e não é uma base para decisões individuais de diagnóstico ou tratamento.

Epidemiology

Grandes projetos de referência mostraram que as variantes estruturais, embora em número muito menor do que as variantes de nucleotídeo único, afetam um maior número total de pares de bases de diferença entre os genomas. O mapa de variação estrutural do Projeto 1000 Genomas catalogou dezenas de milhares de variantes estruturais em milhares de indivíduos de múltiplas populações, estabelecendo frequências de linha de base e a abundância relativa de deleções, duplicações e inserções de elementos móveis em diversas ancestralidades humanas.

History

O estudo de mudanças genômicas em larga escala começou com a citogenética e o reconhecimento de aberrações cromossômicas visíveis. Tecnologias baseadas em arrays e sequenciamento nos anos 2000 revelaram que a variação submicroscópica de número de cópias e estrutural é generalizada mesmo entre indivíduos saudáveis, reformulando a variação estrutural como um componente rotineiro do genoma, em vez de um evento patológico raro. Catálogos de referência dos esforços do HapMap e 1000 Genomas e de estudos focados em variação estrutural então colocaram essa variação em uma base populacional.

Debates

Com que completude o sequenciamento de leitura curta pode capturar a variação estrutural?

Dados de leitura curta detectam bem deleções e muitas alterações de número de cópias, mas sistematicamente perdem inserções, inversões e variantes incorporadas em regiões repetitivas ou duplicadas; o campo continua a debater o quanto do panorama da variante estrutural permanece oculto até que métodos de leitura longa e baseados em montagem sejam aplicados universalmente.

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

Como a variação estrutural difere de uma variante de nucleotídeo único?

Uma variante de nucleotídeo único altera uma base, enquanto a variação estrutural altera um segmento inteiro de DNA — deletando, duplicando, inserindo, invertendo ou realocando-o — afetando, assim, muitas bases de uma vez e sendo detectada por métodos diferentes.

A variação estrutural é sempre prejudicial?

Não. A maioria das variantes estruturais são polimorfismos comuns carregados por pessoas saudáveis; apenas um subconjunto, frequentemente envolvendo genes sensíveis à dosagem ou regiões genômicas específicas, está associado a doenças.