Chú giải chức năng của các biến thể bộ gen

Giải trình tự bộ gen tạo ra hàng triệu biến thể, nhưng hầu hết đều chưa rõ hậu quả. Chú giải chức năng là quá trình gán ý nghĩa sinh học cho từng biến thể — vị trí của nó, gen hoặc yếu tố điều hòa mà nó ảnh hưởng, và khả năng nó làm thay đổi chức năng như thế nào — để có thể phân biệt một vài biến thể quan trọng với nhiều biến thể không quan trọng.

Definition

Chú giải chức năng của các biến thể bộ gen là việc gán ngữ cảnh sinh học và hậu quả chức năng dự đoán cho các biến thể trình tự, bao gồm vị trí bộ gen của chúng, các gen hoặc yếu tố điều hòa bị ảnh hưởng, hiệu ứng phân tử (chẳng hạn như sai nghĩa, vô nghĩa, thay đổi vị trí cắt nối, hoặc điều hòa), và tác động dự đoán lên chức năng.

Scope

Chủ đề này bao gồm chú giải các biến thể đơn nucleotide, chèn, xóa và thay đổi cấu trúc: định vị các biến thể liên quan đến gen và vùng điều hòa, phân loại hậu quả phân tử của chúng và dự đoán mức độ gây hại cho các vị trí mã hóa và không mã hóa. Nó coi chú giải là một chủ đề phương pháp luận và tham chiếu và không cung cấp giải thích biến thể cho các trường hợp lâm sàng cá nhân.

Core questions

• Một biến thể nằm ở đâu so với các gen, exon, vị trí cắt nối và các yếu tố điều hòa?
• Hậu quả phân tử của nó là gì — nó có làm thay đổi protein, làm gián đoạn quá trình cắt nối, hay ảnh hưởng đến sự điều hòa không?
• Biến thể này có khả năng gây hại đến chức năng như thế nào?
• Làm thế nào để giải thích các biến thể không mã hóa, vốn thiếu một kết quả đọc thay đổi protein đơn giản?

Key concepts

• Vị trí biến thể và phân loại hậu quả
• Các biến thể sai nghĩa, vô nghĩa, dịch khung và cắt nối
• Dự đoán mức độ gây hại cho các biến thể mã hóa
• Chú giải biến thể không mã hóa và điều hòa
• Các nguồn chú giải tham chiếu (mô hình gen, sự bảo tồn, bản đồ yếu tố chức năng)
• Các locus tính trạng số lượng biểu hiện (eQTLs)

Mechanisms

Các quy trình chú giải đầu tiên ánh xạ từng biến thể lên một bộ gen tham chiếu và một tập hợp các mô hình gen để xác định vị trí và hậu quả cơ bản của nó — liệu nó nằm trong một exon mã hóa, một vị trí cắt nối, một vùng không dịch mã, hay một vùng liên gen — sử dụng các công cụ như ANNOVAR và SnpEff. Đối với các biến thể mã hóa làm thay đổi một axit amin, các thuật toán dự đoán như SIFT ước tính liệu sự thay thế có được dung nạp hay gây hại, dựa trên sự bảo tồn trình tự giữa các loài. Các biến thể không mã hóa khó giải thích hơn vì chúng không làm thay đổi protein; ở đây, chú giải dựa vào các bản đồ yếu tố chức năng như những bản đồ từ ENCODE và vào các liên kết giữa các biến thể di truyền và biểu hiện gen (eQTLs) được lập danh mục bởi các dự án như GTEx. Đầu ra là một mô tả phân lớp của từng biến thể hỗ trợ việc ưu tiên hóa tiếp theo.

Clinical relevance

Chú giải biến thể là một bước nền tảng trong nghiên cứu bộ gen và trong các quy trình phân tích được sử dụng để giải thích dữ liệu giải trình tự. Nó mô tả cách các biến thể ứng cử viên được đặc trưng và ưu tiên; các dự đoán mà nó tạo ra là các giả thuyết tính toán và bản thân chúng không phải là một xác định về tính gây bệnh hoặc cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Khi giải trình tự thông lượng cao làm cho dữ liệu toàn bộ exon và toàn bộ bộ gen trở nên thường quy vào cuối những năm 2000, nút thắt cổ chai đã chuyển từ việc tạo ra các biến thể sang giải thích chúng. Các công cụ dự đoán dựa trên sự bảo tồn như SIFT (2009) đã giải quyết các biến thể mã hóa, trong khi các công cụ chú giải tổng quát như ANNOVAR (2010) và SnpEff (2012) đã hệ thống hóa việc gán hậu quả trên các loại biến thể. Các danh mục yếu tố chức năng lớn như ENCODE (2012) và các nguồn tài nguyên biểu hiện như GTEx (2015) sau đó đã mở rộng việc giải thích sang bộ gen không mã hóa, vốn chiếm phần lớn sự biến đổi.

Debates

Nên giải thích các biến thể không mã hóa như thế nào?

Các biến thể mã hóa có một kết quả đọc phân tử tương đối dễ giải thích, nhưng hầu hết các biến thể là không mã hóa và thiếu hậu quả protein trực tiếp; việc giải thích chúng phụ thuộc vào bản đồ yếu tố chức năng và bằng chứng eQTL mà tính đầy đủ và đặc hiệu mô của chúng vẫn còn hạn chế.

Key figures

• Kai Wang
• Pauline Ng
• Steven Henikoff
• Pablo Cingolani

Seminal works

• kumar-2009
• wang-2010
• cingolani-2012
• encode-2012

Frequently asked questions

Chú giải một biến thể có nghĩa là gì?

Nó có nghĩa là gán ngữ cảnh sinh học cho biến thể: vị trí của nó so với các gen và yếu tố điều hòa, hậu quả phân tử mà nó gây ra, và khả năng nó ảnh hưởng đến chức năng như thế nào — để có thể phân biệt các biến thể quan trọng với các biến thể trung tính.

Tại sao các biến thể không mã hóa khó chú giải hơn các biến thể mã hóa?

Các biến thể mã hóa có thể được đọc theo mã di truyền để dự đoán sự thay đổi protein, nhưng các biến thể không mã hóa không có kết quả đọc trực tiếp như vậy; việc giải thích chúng dựa vào bản đồ các yếu tố điều hòa và các liên kết giữa các biến thể và biểu hiện gen, vốn vẫn chưa hoàn chỉnh.