Yapısal varyasyon - Structural variation
Genomik yapısal varyasyon , bir organizmanın kromozom yapısındaki varyasyondur . Bir türün genomundaki birçok çeşit varyasyondan oluşur ve genellikle delesyonlar, duplikasyonlar, kopya sayısı varyantları , eklemeler, inversiyonlar ve translokasyonlar gibi mikroskobik ve submikroskopik türleri içerir . Başlangıçta, bir yapı varyasyonu daha büyük olan 3Mb için 1kb ilgili bir sekans uzunluğuna etkiler SNP daha ve daha küçük kromozom anormalliği (tanımlar bazı çakışmalara sahip olsa da). Bununla birlikte, yapısal varyantların operasyonel aralığı, > 50 baz puanlık olayları içerecek şekilde genişletilmiştir. Yapısal varyasyonun tanımı, frekans veya fenotipik etkiler hakkında hiçbir şey ifade etmez. Birçok yapısal varyant, genetik hastalıklarla ilişkilidir , ancak çoğu değildir. SV'lerle ilgili son araştırmalar, SV'lerin tespit edilmesinin SNP'lerden daha zor olduğunu göstermektedir. İnsan genomunun yaklaşık %13'ü normal popülasyonda yapısal olarak değişken olarak tanımlanır ve insan popülasyonlarında homozigot delesyon polimorfizmi olarak var olan en az 240 gen vardır , bu da bu genlerin insanlarda vazgeçilmez olduğunu düşündürür. Hızla biriken kanıtlar, yapısal varyasyonların her genomda milyonlarca nükleotit heterojenlik içerebileceğini ve muhtemelen insan çeşitliliğine ve hastalık duyarlılığına önemli bir katkı sağlayacağını göstermektedir.
mikroskobik yapısal varyasyon
Mikroskobik , anöploidiler , markör kromozom , brüt yeniden düzenlemeler ve kromozom boyutundaki varyasyon gibi optik mikroskoplarla tespit edilebileceği anlamına gelir . İnsan popülasyonundaki sıklığın, bunlardan bazılarının tanımlanmasının aslında kolay olmaması nedeniyle hafife alındığı düşünülmektedir. Bu yapısal anormallikler, varsayılan bilgilere göre her 375 canlı doğumda 1'de mevcuttur.
Alt mikroskobik yapısal varyasyon
Alt mikroskobik yapısal varyantları, küçük boyutları nedeniyle tespit etmek çok daha zordur. 2004'te DNA mikrodizilerini kullanan ilk çalışma , insan genomunda 100 kilobazdan daha büyük kopya sayısı varyasyonu , delesyonları ve kopyaları sergileyen onlarca genetik lokus tespit edebildi . Bununla birlikte, 2015 yılına kadar tüm genom dizileme çalışmaları , her bir bireysel genomda yaklaşık 20 megabaz içeren 100 baz çifti kadar küçük yaklaşık 5.000 yapısal varyantı tespit edebilir . Bu yapısal değişkenler, silmeleri, tandem çoğaltmaları, ters çevirmeleri , mobil eleman yerleştirmelerini içerir . Mutasyon oranı aynı zamanda iki çalışma tarafından sırasıyla %16 ve %20 olarak tahmin edilen mikroskobik yapısal varyantlardan çok daha yüksektir, bunların her ikisi de yapısal varyantları doğru bir şekilde tespit etme zorlukları nedeniyle muhtemelen eksik tahmin edilmektedir. Ayrıca, kendiliğinden yapısal varyantların üretilmesinin , yapısal varyasyon olayının 100 kilobaz içinde başka kendiliğinden tek nükleotit varyantları veya indelleri üretme olasılığını önemli ölçüde arttırdığı da gösterilmiştir .
Kopya numarası varyasyonu
Kopya sayısı varyasyonu (CNV), eklemeleri , silmeleri ve tekrarları içeren geniş bir yapısal varyasyon kategorisidir . Son zamanlarda yapılan çalışmalarda, nicel SNP genotiplemesi için kullanılan yöntemler kullanılarak, genetik hastalığı olmayan kişiler üzerinde kopya sayısı varyasyonları test edilmektedir. Sonuçlar, bireylerdeki şüpheli bölgelerin %28'inin aslında kopya numarası varyasyonları içerdiğini göstermektedir. Ayrıca insan genomundaki CNV'ler, Tek Nükleotid Polimorfizminden (SNP) daha fazla nükleotidi etkiler . CNV'lerin çoğunun kodlama bölgelerinde olmaması da dikkat çekicidir. CNV'lere genellikle eşit olmayan rekombinasyon neden olduğundan , LINE'lar ve SINE'ler gibi yaygın benzer diziler , CNV oluşturmanın ortak bir mekanizması olabilir.
ters çevirme
İnsan hastalığı ile ilgili olduğu bilinen birkaç inversiyon vardır. Örneğin, faktör VIII geninde tekrarlayan 400 kb inversiyon hemofili A'nın yaygın bir nedenidir ve idunorat 2-sülfatazı (IDS) etkileyen daha küçük inversiyonlar Hunter sendromuna neden olur . Daha fazla örnek Angelman sendromu ve Sotos sendromunu içerir . Bununla birlikte, son araştırmalar, bir kişinin 56 varsayılan inversiyona sahip olabileceğini, dolayısıyla hastalık dışı inversiyonların önceden tahmin edilenden daha yaygın olduğunu göstermektedir. Ayrıca bu çalışmada, inversiyon kesme noktalarının yaygın olarak segmental tekrarlarla ilişkili olduğu belirtilmiştir. 17. kromozomdaki 900 kb'lik bir inversiyon pozitif seçilim altındadır ve Avrupa popülasyonunda sıklığının artması beklenmektedir.
Diğer yapısal varyantlar
Tek bir olayda yukarıdakilerin bir kombinasyonunu içeren daha karmaşık yapısal varyantlar meydana gelebilir. En yaygın karmaşık yapısal varyasyon türü, sekansın kopyalandığı ve ters çevrilmiş veya genomun başka bir bölümüne doğrudan yönlendirildiği tandem olmayan çoğaltmalardır. Karmaşık yapısal varyantın diğer sınıfları, silme-ters çevirme-silmeleri, çoğaltma-tersine çevirme-yinelemeleri ve iç içe silmeleri olan tandem çoğaltmaları içerir. Ayrıca kriptik translokasyonlar ve segmental uniparental dizomi (UPD) vardır. Bu varyasyonlarla ilgili artan raporlar vardır, ancak bu varyantlar dengeli olduğundan ve dizi tabanlı veya PCR tabanlı yöntemler onları bulamadığından , tespit edilmesi geleneksel varyasyonlardan daha zordur .
Yapısal çeşitlilik ve fenotipler
Bazı genetik hastalıkların yapısal varyasyonlardan kaynaklandığından şüphelenilmektedir, ancak bu ilişki çok kesin değildir. Bu varyantları "normal" veya "hastalık" olarak iki sınıfa ayırmak pek mantıklı değil çünkü aynı varyantın gerçek çıktısı da farklı olacaktır. Ayrıca, varyantlardan birkaçı aslında (yukarıda bahsedilen) için olumlu olarak seçilmiştir. Bir dizi çalışma, kendiliğinden ( de novo ) CNV'leri bozan genin, otizmde kontrollere göre yaklaşık dört kat daha sık genleri bozduğunu ve vakaların yaklaşık %5-10'una katkıda bulunduğunu göstermiştir. Kalıtsal varyantlar da otizm vakalarının yaklaşık %5-10'una katkıda bulunur.
Yapısal varyasyonların popülasyon genetiğinde de işlevi vardır. Aynı varyasyonun farklı frekansı, farklı alanlardaki popülasyonlar arasındaki ilişkiyi anlamak için genetik bir işaret olarak kullanılabilir. İnsan ve şempanzenin yapısal varyasyonu arasındaki tam bir karşılaştırma, bunların bazılarının uyarlanabilir işlevi nedeniyle tek bir türde sabitlenebileceğini de ortaya koydu. Ayrıca sıtma ve AIDS'e karşı dirençle ilgili silmeler de var . Ayrıca, bazı oldukça değişken segmentlerin, seçimin dengelenmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir, ancak bu hipoteze karşı yapılan çalışmalar da bulunmaktadır.
Yapısal varyasyon veritabanı
Bazı genom tarayıcıları ve biyoinformatik veritabanları, insan genomundaki yapısal varyasyonların CNV'lere vurgu yapan bir listesine sahiptir ve bunları genom tarama sayfasında, örneğin UCSC Genome Browser'da gösterebilir . Genomun bir bölümünü görüntüleyen sayfanın altında, etkinleştirilebilen "Ortak Hücre CNV'leri" ve "Yapısal Var" vardır. NCBI'de yapısal varyasyon için özel bir sayfa vardır. Bu sistemde hem "iç" hem de "dış" koordinatlar gösterilir; ikisi de gerçek kırılma noktaları değil, yapısal varyasyondan etkilenen minimum ve maksimum dizi aralığıdır. Tipler, ekleme, kayıp, kazanç, ters çevirme, LOH, ters çevrilmiş, transchr ve UPD olarak sınıflandırılır.
Algılama yöntemleri
İnsan genetik yapısal varyasyonunu yüksek çözünürlüklerde analiz etmek için yeni yöntemler geliştirilmiştir. Genomu test etmek için kullanılan yöntemler ya belirli bir hedefe yöneliktir ya da genom çapındadır. Genom çapında testler için, dizi tabanlı karşılaştırmalı genom hibridizasyon yaklaşımları, yeni kopya numarası varyantlarını bulmak için en iyi genom çapında taramaları sağlar. Bu teknikler, ilgilenilen bir genomdan etiketlenen ve farklı şekilde etiketlenen başka bir genomla, klonlanmış DNA parçalarıyla lekelenmiş dizilere hibritlenen DNA parçalarını kullanır. Bu, iki genom arasındaki kopya sayısı farklılıklarını ortaya çıkarır.
Hedeflenen genom incelemeleri için, genomun belirli alanlarını kontrol etmek için en iyi tahliller öncelikle PCR tabanlıdır. PCR tabanlı yöntemlerin en iyi bilineni gerçek zamanlı kantitatif polimeraz zincir reaksiyonudur (qPCR). Farklı bir yaklaşım, genellikle kopya sayısı varyasyonu alanları olduklarından, bilinen bölümsel yinelemeleri çevreleyen belirli alanları özel olarak kontrol etmektir. İki alel için bağımsız flüoresans yoğunlukları sunan bir SNP genotipleme yöntemi, bir segmental duplikasyonun iki kopyası arasındaki nükleotidleri hedeflemek için kullanılabilir. Bundan, alellerden birinin diğerine kıyasla yoğunluğunda bir artış gözlemlenebilir.
Yeni nesil dizileme (NGS) teknolojisinin geliştirilmesiyle, NGS verileriyle yapısal varyantların saptanması için dört strateji sınıfı rapor edilmiştir ve bunların her biri farklı SV sınıflarının tanısal modellerine dayanmaktadır.
- Okuma derinliği veya okuma sayısı yöntemleri , kısa okuma dizilemesinden okumaların rastgele bir dağılımını (örneğin Poisson dağılımı ) varsayar . Bu dağılımdan sapma, yinelemeleri ve silmeleri keşfetmek için araştırılır. Yinelenen bölgeler daha yüksek okuma derinliği gösterirken, silinen bölgeler daha düşük okuma derinliğine neden olur.
- Bölünmüş okuma yöntemleri, eklemelerin ( mobil eleman eklemeleri dahil ) ve tek baz çifti çözünürlüğüne kadar silmelerin algılanmasını sağlar . Bir SV'nin varlığı, referans genoma süreksiz hizalamadan tanımlanır. Okumadaki bir boşluk bir silmeyi ve referanstaki bir eklemeyi işaret eder.
- Çift okuma yöntemleri, kısa okuma sıralama verilerinden çift uçlu okumaların uzunluğunu ve yönünü inceler. Örneğin, beklenenden daha uzak okuma çiftleri bir silmeyi gösterir. Translokasyonlar, inversiyonlar ve tandem tekrarları aynı şekilde okuma çiftleri kullanılarak keşfedilebilir.
- De novo dizi montajı, yeterince doğru olan okumalarla uygulanabilir. Pratikte bu yöntemin kullanımı dizi okumalarının uzunluğu ile sınırlıyken, uzun okuma tabanlı genom düzenekleri, diğer yöntemleri kullanırken algılamadan kaçan eklemeler gibi sınıflar için yapısal varyasyon keşfi sunar.