Cell重磅：疾病相關(guān)短串聯(lián)重復(fù)序列（STR）與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域邊界共定位

發(fā)稿時(shí)間：2018-09-11來(lái)源：天昊生物

 

短串聯(lián)重復(fù)序列（Short Tandem Repeats, STR），或稱(chēng)簡(jiǎn)單重復(fù)序列（Simple Sequence Repeats, SSR）及微衛(wèi)星（Microsatellite），通常是基因組中由1~6個(gè)堿基單元（motif）組成的一段DNA重復(fù)序列。前人研究已經(jīng)充分證明，STR在基因組上的變化與人類(lèi)遺傳疾病之間有著密切的關(guān)系。剛剛在今年6月份，天昊基因科技（蘇州）有限公司與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院（浙醫(yī)二院）神經(jīng)內(nèi)科羅巍教授合作，發(fā)表于國(guó)際臨床神經(jīng)病學(xué)及神經(jīng)科學(xué)頂級(jí)期刊《Brain》的文章 “Intronic pentanucleotide TTTCA repeat insertion in the SAMD12 gene causes familial cortical myoclonic tremor with epilepsy type 1”，就首次報(bào)道了中國(guó)人群SAMD12基因內(nèi)含子區(qū)五核苷酸（TTTCA）重復(fù)插入導(dǎo)致家族性皮層肌陣攣性震顫癲癇1型（【昊文章】天昊基因與浙醫(yī)二院合作發(fā)現(xiàn)SAMD12基因內(nèi)含子區(qū)五核苷酸（TTTCA）重復(fù)插入導(dǎo)致家族性皮層肌陣攣性震顫癲癇1型）。緊接著就在上周，Cell雜志又以Article形式報(bào)道了重量級(jí)研究成果，發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)短串聯(lián)重復(fù)序列（STR）與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域邊界之間密切相關(guān)。

 

發(fā)表期刊：Cell 發(fā)表時(shí)間：2018-8-27 影響因子：31.398

 

 

 

摘要一覽

超過(guò)25種人類(lèi)遺傳性疾病是由STRs的不穩(wěn)定擴(kuò)展引起的，但人們?nèi)圆磺宄槭裁慈祟?lèi)基因組中一些STRs易受不穩(wěn)定擴(kuò)展的影響，而其它成千上萬(wàn)的重復(fù)片段卻相對(duì)穩(wěn)定。本研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有與疾病相關(guān)的STRs (disease-associated STRs, daSTRs )都位于3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域的邊界處。與基因組的其余部分相比，研究人員發(fā)現(xiàn)了邊界處的CpG島密度明顯較高，而daSTRs就極其特別的定位在了這些超高密度CpG島的邊界區(qū)域，這表明它們可能是表觀遺傳調(diào)控錯(cuò)誤或與STR擴(kuò)展相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)破壞的熱點(diǎn)。脆弱X綜合征患者(FXS)表現(xiàn)出嚴(yán)重的邊界破壞情況，其方式與CTCF (CCCTC結(jié)合因子)占用率的局部損失和FMR1沉默程度相關(guān)。本研究結(jié)果揭示了高階染色質(zhì)結(jié)構(gòu)為理解STRs相關(guān)疾病提供了新的視角?！?/span>

 

研究方法

o 實(shí)驗(yàn)樣本：B淋巴細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、脆弱X綜合征死者冷凍小腦組織等。

o 實(shí)驗(yàn)方法：ChIP-seq、Hi-C、qRT-PCR等。

 

研究結(jié)果

o daSTRs與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域邊界在人類(lèi)ESCs細(xì)胞中共定位

拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域(Topologically Associating Domains, TAD)是基因組中的相接觸區(qū)域，域內(nèi)基因座與域外的基因座相比具有更高的相互作用頻率。染色質(zhì)域邊界是被TADs/子TADs分開(kāi)的連接點(diǎn)區(qū)域。曾有報(bào)道認(rèn)為該邊界的破壞與癌癥和肢體發(fā)育疾病有關(guān)。

本研究首先利用已經(jīng)報(bào)道的健康人ESCs細(xì)胞的Hi-C圖譜數(shù)據(jù)，得到2384個(gè)TADs，分析后驚人發(fā)現(xiàn)27中的11個(gè)daSTR位于TADs邊界處，包括FMR (脆性X綜合征)、HTT (亨廷頓氏病)、DMPK (強(qiáng)直性肌營(yíng)養(yǎng)不良癥1)、FXN (弗里德里克共濟(jì)失調(diào))、C9orf72 (肌萎縮側(cè)索硬化)和ATXN1 (脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)1)等，表明3D基因組折疊與STR擴(kuò)展類(lèi)遺傳疾病相關(guān)。

 

 

圖1、人類(lèi)ESCs細(xì)胞的40 kb binned Hi-C數(shù)據(jù)熱圖。幾乎所有疾病相關(guān)STRs都位于人類(lèi)ESCs細(xì)胞中染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域邊界。(A) daSTR基因座與TAD (藍(lán)色)和(B)子TAD (黃色)邊界共定位。含有daSTR (紅色)的基因(綠色)顯示在熱圖下方。daSTR處的域邊界用黑色箭頭劃界。(C)堆積條形圖顯示位于人類(lèi)ESCs細(xì)胞中TAD、子TAD或定性結(jié)構(gòu)域邊界的daSTRs數(shù)量。

 

o daSTRs定位到域邊界的數(shù)量明顯多于基因組范圍內(nèi)正常長(zhǎng)度的STR

 

圖2、daSTRs與正常STR相比更容易在邊界處被發(fā)現(xiàn)

 

o daSTRs在不同類(lèi)型體細(xì)胞中的TADs共定位

分析發(fā)現(xiàn)daSTRs在胚胎和體細(xì)胞的邊界同樣存在共定位現(xiàn)象，以及神經(jīng)疾病相關(guān)的daSTRs與人類(lèi)皮層組織染色體域邊界共定位。

 

o 包含daSTRs的邊界具有超高密度CpG島特征

染色體域邊界可以分成至少兩組: (1) CpG島密度高、CTCF占用率高的，以及(2) CpG島密度低的。本研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有的daSTRs都集中在富含CpG島的邊界，而不是沒(méi)有CpG島或域內(nèi)CpG島的邊界。

 

圖3、包含daSTRs的邊界存在超高密度CpG島現(xiàn)象

該結(jié)果表明超高密度CpG島和TAD邊界使得相關(guān)基因組位置易于產(chǎn)生STR不穩(wěn)定性。

 

o 脆性X綜合征患者FMR1 daSTR處的TAD邊界消融及CTCF占用率變化現(xiàn)象，并且與FMR1沉默相關(guān)

值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)來(lái)自脆弱X綜合征B細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和死者腦組織的嚴(yán)重邊界破壞現(xiàn)象。邊界破壞的程度與FMR1沉默的程度以及鄰近FMR1 daSTR的特定區(qū)域的CTCF占用率損失相關(guān)。這些數(shù)據(jù)共同支持了一個(gè)工作模型，在該模型中，3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域邊界的關(guān)鍵子集上的獨(dú)特遺傳、表觀遺傳和拓?fù)錉顟B(tài)可能與相應(yīng)基因組中STR不穩(wěn)定性易感性的增加有關(guān) 。

 

 

圖4、CpG島、3D基因組結(jié)構(gòu)、STR不穩(wěn)定性和基因表達(dá)之間關(guān)系模型圖。(A)具有高CpG島密度的結(jié)構(gòu)域邊界對(duì)STR不穩(wěn)定性的作用的工作模型。(B和C)示意圖概述了局部拓?fù)洵h(huán)境和初始重復(fù)擴(kuò)展邊界破壞和FMR1沉默之間可能的因果關(guān)系。

 

結(jié)論

o 疾病相關(guān)的短串聯(lián)重復(fù)序列與TADs/子TADs邊界共定位。

o 短串聯(lián)重復(fù)定位邊界顯示高密度CpG島。

o 脆性X綜合征中與FMR1共定位的邊界在結(jié)構(gòu)上被破壞。

o 邊界破壞與FMR1沉默和CTCF占用率損失相關(guān)。

 

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