ความแปรผันเชิงโครงสร้าง: ประเภทและกลไก

ความแปรผันเชิงโครงสร้างคือรายการวิธีการที่จีโนมสามารถจัดเรียงใหม่ในระดับส่วนย่อย — การขาดหายไป, การเพิ่มขึ้น, การแทรก, การกลับด้าน, และการเคลื่อนย้าย — พร้อมกับกระบวนการกลายพันธุ์ที่ก่อให้เกิดความแปรผันเหล่านี้ การจำแนกประเภทเหล่านี้และการทำความเข้าใจต้นกำเนิดเชิงกลไกคือสิ่งที่ทำให้สามารถตั้งชื่อการจัดเรียงใหม่, ตีความจุดแตกหัก, และอนุมานผลลัพธ์ที่เป็นไปได้

Definition

ความแปรผันเชิงโครงสร้างคือการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่ส่งผลกระทบต่อส่วนของ DNA — รวมถึงการขาดหายไป, การเพิ่มขึ้น, การแทรก, การกลับด้าน, และการเคลื่อนย้ายระหว่างหรือภายในโครโมโซม — ซึ่งจัดเป็นแบบสมดุลเมื่อปริมาณลำดับทั้งหมดถูกรักษาไว้ และแบบไม่สมดุลเมื่อมีการเพิ่มขึ้นหรือสูญเสีย

Scope

หัวข้อนี้จะนำเสนอประเภทหลักของความแปรผันเชิงโครงสร้างและความแตกต่างระหว่างการจัดเรียงใหม่แบบสมดุล (ซึ่งรักษาสารพันธุกรรมทั้งหมดไว้) และแบบไม่สมดุล (ซึ่งเปลี่ยนแปลงสารพันธุกรรม) จากนั้นจะเชื่อมโยงแต่ละประเภทเข้ากับกลไกการซ่อมแซม DNA และการรวมตัวใหม่ที่สร้างความแปรผันเหล่านั้น นี่คือการอ้างอิงเกี่ยวกับการจำแนกประเภทและกลไกของความแปรผัน ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• ความแปรผันเชิงโครงสร้างประเภทหลักมีอะไรบ้างและแตกต่างกันอย่างไร?
• ความแปรผันใดบ้างที่สมดุลเทียบกับไม่สมดุล และเหตุใดความแตกต่างนั้นจึงสำคัญ?
• ความแปรผันเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร — โดยกลไกการรวมตัวใหม่, ข้อผิดพลาดในการจำลองแบบ, การซ่อมแซม, การย้ายตำแหน่งย้อนกลับ?
• อะไรคือสิ่งที่แยกความแปรผันที่เกิดซ้ำซึ่งมีจุดแตกหักร่วมกันออกจากความแปรผันที่ไม่เกิดซ้ำ?

Key concepts

• การขาดหายไป, การเพิ่มขึ้น, การแทรก, การกลับด้าน, การเคลื่อนย้าย
• การจัดเรียงใหม่แบบสมดุลเทียบกับไม่สมดุล
• ความแปรผันที่เกิดซ้ำเทียบกับไม่เกิดซ้ำ
• จุดแตกหักและลำดับรอยต่อ
• การเชื่อมต่อปลายแบบไม่โฮโมโลกัส (NHEJ)
• ไมโครโฮโมโลกัส
• ความแปรผันเชิงโครงสร้างที่ซับซ้อน

Key theories

การรวมตัวใหม่แบบโฮโมโลกัสที่ไม่ใช่แอลลีล (NAHR)

การรวมตัวใหม่ระหว่างสำเนาซ้ำที่คล้ายกันมากแต่ไม่ใช่แอลลีล เช่น การเพิ่มขึ้นของส่วนย่อยที่ขนาบข้างบริเวณหนึ่ง ทำให้เกิดการขาดหายไปและการเพิ่มขึ้นซ้ำๆ ซึ่งจุดแตกหักจะรวมกลุ่มกันภายในสำเนาซ้ำที่ใช้ร่วมกัน

การจัดเรียงใหม่ที่อาศัยการจำลองแบบ (FoSTeS / MMBIR)

การหยุดชะงักของส้อมและการสลับแม่แบบ และการจำลองแบบที่เกิดจากการแตกหักที่อาศัยไมโครโฮโมโลกัส อธิบายการจัดเรียงใหม่ที่ไม่ซ้ำกันและซับซ้อน ซึ่งกลไกการจำลองแบบจะสลับแม่แบบโดยใช้ไมโครโฮโมโลกัสสั้นๆ และเชื่อมต่อลำดับที่อยู่ห่างไกลกัน

Mechanisms

ความแปรผันเชิงโครงสร้างเกิดจากกระบวนการที่ได้รับการระบุลักษณะอย่างดีเพียงไม่กี่ชุด การรวมตัวใหม่แบบโฮโมโลกัสที่ไม่ใช่แอลลีล (Non-allelic homologous recombination) ใช้ลำดับที่เกือบจะเหมือนกันเป็นช่วงยาว — ซึ่งมักจะเป็นการเพิ่มขึ้นของส่วนย่อย — เป็นสารตั้งต้น ทำให้เกิดการขาดหายไปและการเพิ่มขึ้นซ้ำๆ ที่มีจุดแตกหักที่ทำซ้ำได้ การเชื่อมต่อปลายแบบไม่โฮโมโลกัส (Non-homologous end joining) และการเชื่อมต่อปลายที่อาศัยไมโครโฮโมโลกัส (microhomology-mediated end joining) ซ่อมแซมการแตกหักของสายคู่โดยการเชื่อมต่อปลายใหม่ ซึ่งมักจะมีการขาดหายไปหรือการแทรกเล็กน้อยและมีโฮโมโลกัสเพียงเล็กน้อยหรือไม่เลย กลไกที่อาศัยการจำลองแบบ (การหยุดชะงักของส้อมและการสลับแม่แบบ, และการจำลองแบบที่เกิดจากการแตกหักที่อาศัยไมโครโฮโมโลกัส) สร้างเหตุการณ์ที่ไม่ซ้ำกันและซับซ้อนโดยการสลับแม่แบบในระหว่างการจำลองแบบ การย้ายตำแหน่งย้อนกลับ (Retrotransposition) แทรกสำเนาใหม่ขององค์ประกอบเคลื่อนที่ กลไกแต่ละอย่างจะทิ้งรอยต่อที่เป็นลักษณะเฉพาะที่การจัดลำดับแบบคู่ปลายและการอ่านแบบแยกสามารถแก้ไขได้

Clinical relevance

ประเภทและกลไกของความแปรผันเชิงโครงสร้างมีอิทธิพลต่อการตีความในสาขาวิทยาศาสตร์สุขภาพ — การจัดเรียงใหม่แบบสมดุลอาจรบกวนยีนที่จุดแตกหักโดยไม่เปลี่ยนแปลงปริมาณยีน ในขณะที่เหตุการณ์ที่ไม่สมดุลจะเปลี่ยนจำนวนสำเนาของยีน บทความนี้อธิบายประเภทของความแปรผันและต้นกำเนิดเชิงกลไกในฐานะกรอบแนวคิด และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Epidemiology

การศึกษาการจัดลำดับแบบคู่ปลายและความลึกของการอ่านแสดงให้เห็นว่าการขาดหายไปเป็นความแปรผันที่ไม่สมดุลที่ถูกบันทึกไว้บ่อยที่สุด โดยมีการเพิ่มขึ้น, การแทรก, และการกลับด้านที่พบได้มากเช่นกัน และกลไกจะทิ้งรอยประชากรไว้: บริเวณที่ขนาบข้างด้วยการซ้ำซ้อนแบบโฮโมโลกัสที่ยาวนานแสดงความแปรผันที่เกิดซ้ำ ในขณะที่ความแปรผันเชิงโครงสร้างที่เหลือส่วนใหญ่ไม่เกิดซ้ำ แผนที่แบบบูรณาการในจีโนมหลายพันชุดได้วัดปริมาณการมีส่วนร่วมสัมพัทธ์ของแต่ละประเภท

History

เมื่อการสำรวจทั่วทั้งจีโนมเปิดเผยว่าความแปรผันเชิงโครงสร้างมีอยู่ทั่วไป ความสนใจก็หันไปหาวิธีที่มันเกิดขึ้น งานของ Lupski เกี่ยวกับความผิดปกติทางพันธุกรรมที่เกิดซ้ำได้สร้างการรวมตัวใหม่แบบโฮโมโลกัสที่ไม่ใช่แอลลีลให้เป็นกลไกที่เชื่อมโยงกับสถาปัตยกรรมของจีโนม และการสังเคราะห์ของ Hastings, Lupski, Rosenberg, และ Ira ในปี 2009 ได้จัดระเบียบเส้นทางที่อาศัยการรวมตัวใหม่, การจำลองแบบ, และการซ่อมแซมให้อยู่ในกรอบการทำงานที่เป็นหนึ่งเดียว จากนั้นการจัดลำดับแบบคู่ปลายก็ช่วยให้สามารถอ่านรอยต่อของจุดแตกหักได้โดยตรงและอนุมานกลไกจากรอยต่อเหล่านั้น

Debates

การจัดเรียงใหม่ที่ซับซ้อนและมีจุดแตกหักหลายจุดพบบ่อยเพียงใด?

กระบวนการที่อาศัยการจำลองแบบและกระบวนการหายนะสามารถสร้างความแปรผันที่มีจุดแตกหักหลายจุดซึ่งยากต่อการจำแนกประเภทอย่างง่าย ความชุกที่แท้จริงและขอบเขตเชิงกลไกยังคงอยู่ภายใต้การตรวจสอบในขณะที่วิธีการอ่านแบบยาวสามารถแก้ไขรอยต่อได้มากขึ้น

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

ความแตกต่างระหว่างความแปรผันเชิงโครงสร้างแบบสมดุลและไม่สมดุลคืออะไร?

ความแปรผันแบบสมดุล เช่น การกลับด้านหรือการเคลื่อนย้ายแบบสลับที่ จัดเรียง DNA ใหม่โดยไม่เปลี่ยนแปลงปริมาณลำดับทั้งหมด ในขณะที่ความแปรผันแบบไม่สมดุล เช่น การขาดหายไปหรือการเพิ่มขึ้น จะมีการเพิ่มขึ้นหรือสูญเสียสารพันธุกรรม

เหตุใดความแปรผันเชิงโครงสร้างบางอย่างจึงเกิดซ้ำที่จุดแตกหักเดียวกัน?

ความแปรผันที่เกิดซ้ำมักจะเกิดจากการรวมตัวใหม่แบบโฮโมโลกัสที่ไม่ใช่แอลลีลระหว่างสำเนาซ้ำที่ยาวและเกือบจะเหมือนกันซึ่งขนาบข้างบริเวณหนึ่ง ดังนั้นจุดแตกหักจึงอยู่ภายในสำเนาซ้ำที่ใช้ร่วมกันเหล่านั้นและปรากฏซ้ำในบุคคลที่ไม่เกี่ยวข้องกัน