胡惠芳

（湖北輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖北武漢430200）

基因組拷貝數(shù)變異及其突變機(jī)理分析

胡惠芳

（湖北輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖北武漢430200）

拷貝數(shù)變異能夠?qū)е鲁拭系聽(tīng)栠z傳的單基因病和罕見(jiàn)疾病，同時(shí)與復(fù)雜疾病相關(guān)。目前用來(lái)進(jìn)行全基因組范圍的拷貝數(shù)變異研究方法有很多，包括單核苷酸多態(tài)性分型芯片技術(shù)、基于芯片的比較基因組雜交技術(shù)和新一代測(cè)序技術(shù)?？截悢?shù)變異的形成機(jī)制也有很多種，總的來(lái)說(shuō)可以概括為DNA重組和DNA錯(cuò)誤復(fù)制兩大類。本文對(duì)基因組拷貝數(shù)變異進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并詳細(xì)分析了其突變機(jī)理。

基因組；拷貝數(shù)變異；發(fā)現(xiàn)；突變機(jī)理

1 引言

顧名思義，“拷貝數(shù)變異”就是會(huì)產(chǎn)生拷貝數(shù)的量變。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，拷貝數(shù)變異通常是指長(zhǎng)度超過(guò)1kb的基因組大片段的拷貝數(shù)減少或者增加，主要表現(xiàn)為亞顯微水平的重復(fù)和缺失?？截悢?shù)變異是由基因組發(fā)生重排而導(dǎo)致的，是基因組結(jié)構(gòu)變異的重要組成部分。

2004年是拷貝數(shù)變異研究中具有重大意義的一年。利用新的能夠覆蓋整個(gè)人類基因組的先進(jìn)研究技術(shù)，有兩個(gè)研究小組差不多同時(shí)發(fā)現(xiàn)了大片段的拷貝數(shù)變異，這種大片段的拷貝數(shù)變異不僅能夠?qū)е鲁錾毕莸戎卮蠹膊?，而且能夠作為一種遺傳多態(tài)性而廣泛分布于人類基因組之中。目前，被報(bào)道的基因組結(jié)構(gòu)變異已經(jīng)超過(guò)了66000個(gè)，其中主要是拷貝數(shù)變異。

那么，人類基因組上大量的拷貝數(shù)變異究竟是如何產(chǎn)生的呢？DNA重組是其中一類已知的機(jī)制，包括非同源末端連接和非等位同源重組等。最近研究發(fā)現(xiàn)的“復(fù)制叉停滯與模板交換”（Fork stalling and template switching，F(xiàn)oSTeS）模型是一種新的基于DNA錯(cuò)誤復(fù)制的機(jī)制。此種機(jī)制可以解釋那些不符合非等位同源重組和非同源末端連接等突變機(jī)制的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的拷貝數(shù)變異。

2 拷貝數(shù)變異和基因組結(jié)構(gòu)變異的發(fā)現(xiàn)

2004年，某研究小組應(yīng)用寡核酸微陣列分析技術(shù)，使用85000個(gè)平均間隔為35kb的探針對(duì)20例正常個(gè)體的基因組DNA片段的拷貝數(shù)情況進(jìn)行了分析，鑒定出其中76個(gè)位點(diǎn)上存在的221個(gè)長(zhǎng)度超過(guò)100kb的拷貝數(shù)變異。同時(shí)，有人利用基于細(xì)菌人工染色體探針的分辨率為1Mb的比較基因組雜交芯片，對(duì)55例個(gè)體的大片段拷貝數(shù)變異情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了255個(gè)重復(fù)和缺失。

“基因組變異數(shù)據(jù)庫(kù)”對(duì)已經(jīng)被報(bào)道的拷貝數(shù)變異進(jìn)行了收錄和數(shù)據(jù)整理?！盎蚪M變異數(shù)據(jù)庫(kù)”中的所有拷貝數(shù)變異所覆蓋的基因組片段占人類基因組的29.7%，但是實(shí)際上這個(gè)比例要更低一點(diǎn)。此外，根據(jù)研究數(shù)據(jù)估計(jì)，人類基因組上有5～10%的區(qū)域存在拷貝數(shù)變異，比其他遺傳變異形式要高很多。

事實(shí)證明，拷貝數(shù)變異研究具有重大的臨床價(jià)值和科學(xué)意義，因此全球范圍內(nèi)開展拷貝數(shù)變異研究項(xiàng)目的研究中心越來(lái)越多，例如千人基因組計(jì)劃和人類基因組結(jié)構(gòu)變異研究組等。千人基因組計(jì)劃已經(jīng)獲得了初步數(shù)據(jù)，包括2萬(wàn)個(gè)拷貝數(shù)變異，100萬(wàn)個(gè)短的插入或缺失以及1500萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)性的位點(diǎn)，其中絕大部分都是新的發(fā)現(xiàn)。

3 CNV突變機(jī)理

3.1 非等位同源重組主要發(fā)生在減數(shù)分裂中，可導(dǎo)致倒位、重復(fù)和缺失

等位同源重組是生物遺傳多樣性的來(lái)源，是指在減數(shù)分裂過(guò)程中，基因組上同一位點(diǎn)的DNA序列與其同源序列發(fā)生的重組。

非等位同源重組是由兩條同源的、但在基因組不同位置重復(fù)出現(xiàn)的、高度相似性的DNA序列配對(duì)并發(fā)生序列交換造成的。非等位同源重組若發(fā)生在相同染色體上的同向重復(fù)序列間則會(huì)造成缺失或重復(fù)，若發(fā)生在相同染色體上的反向重復(fù)序列間則會(huì)造成倒位。若非等位同源重組發(fā)生在不同染色體上的重復(fù)序列間則可能會(huì)導(dǎo)致染色體易位。

非等位同源重組的底物通常是長(zhǎng)度超過(guò)10kb，序列相似度大于95%的SD序列。除了SD序列之外，非等位同源重組的底物還包括可以反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座的L1元件、Alu等較短的重復(fù)序列。由于檢測(cè)手段的局限性，此類機(jī)理導(dǎo)致的拷貝數(shù)變異通常會(huì)低估。

同源重組（包括非等位同源重組和等位同源重組）是存在重組熱點(diǎn)的，即重組發(fā)生的位點(diǎn)存在著一定的序列傾向性，而不是隨機(jī)分布于基因組之上。一個(gè)順式作用基序“CCNCCNTNNCCNC”富集的現(xiàn)象在等位同源重組和非等位同源重組的重組熱點(diǎn)中都有被發(fā)現(xiàn)，這不僅說(shuō)明等位同源重組和非等位同源重組是共享重組熱點(diǎn)的，并具有類似分子機(jī)理，同時(shí)也提示了該段特征序列是某些或者某一重組相關(guān)蛋白識(shí)別位點(diǎn)的可能性。

非等位同源重組主要發(fā)生在減數(shù)分裂中，造成不平衡交換，形成攜帶有拷貝數(shù)變異的配子，進(jìn)而傳遞給后代。在有絲分裂中也可以發(fā)生較少的非等位同源重組事件，在體細(xì)胞中形成攜帶拷貝數(shù)變異或者其它結(jié)構(gòu)變異的嵌合型。

基于非等位同源重組機(jī)理發(fā)生的拷貝數(shù)變異具有較高的突變率。某研究小組采用精子分型技術(shù)，分析了幾名4個(gè)基于非等位同源重組機(jī)理產(chǎn)生的拷貝數(shù)變異，源自5名正常男性的精液樣本。這些拷貝數(shù)變異包括：Potocki-Lupski綜合征重復(fù)突變與Smith-Magenis綜合征缺失突變，腓骨肌萎縮癥重復(fù)突變與遺傳性壓力敏感性神經(jīng)病缺失突變，無(wú)精子癥因子a缺失突變及其相對(duì)的重復(fù)突變，7q11.23重復(fù)突變和Williams-Beuren綜合征缺失突變。

3.2 一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的拷貝數(shù)變異可以源自非同源末端連接

非同源末端連接是在人類細(xì)胞中進(jìn)行生理性的V（D）J重組的，此外還可以修復(fù)由氧化反應(yīng)或者輻射引起的DNA雙鏈斷裂。如前面所述，非等位同源重組需要具有同源性的DNA片段作為重組底物，而非同源末端連接則是不需要的；另外，非同源末端連接產(chǎn)生以后能夠在連接部位插進(jìn)若干個(gè)堿基。同其他突變機(jī)理相比，這兩點(diǎn)是非同源末端連接的主要特征。

某些基于非同源末端連接的拷貝數(shù)變異的斷點(diǎn)傾向于落在重復(fù)序列內(nèi)或者其周圍；此外，某些DNA基序可以引起DNA彎曲或?qū)е翫NA雙鏈斷裂，如TTTAAA，因此基于非同源末端連接產(chǎn)生的拷貝數(shù)變異容易出現(xiàn)在此類位點(diǎn)附近。

3.3 基于DNA錯(cuò)誤復(fù)制的FoSTeS機(jī)理可以產(chǎn)生含復(fù)雜結(jié)構(gòu)的拷貝數(shù)變異

高密度比較基因組雜交芯片技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了對(duì)拷貝數(shù)變異的研究，眾多具有復(fù)雜重排結(jié)構(gòu)的拷貝數(shù)變異被發(fā)現(xiàn)，并且無(wú)法被前述的基于DNA重組的機(jī)理模型所解釋。為此，有人提出了一種解釋拷貝數(shù)變異突變和一些異常人類基因組重排的新機(jī)理。

根據(jù)“復(fù)制叉停滯與模板交換”模型，在DNA復(fù)制叉停滯的同時(shí)，滯后鏈從模板上脫落，通過(guò)微同源序列轉(zhuǎn)移到另一個(gè)復(fù)制叉上，然后開始重新合成DNA。兩個(gè)要產(chǎn)生模板轉(zhuǎn)換的復(fù)制叉會(huì)在空間上接近彼此。新復(fù)制叉上錯(cuò)誤的結(jié)合片段最終是正向還是反向出現(xiàn)，這取決于復(fù)制叉的方向以及新復(fù)制叉中的作為模板是引導(dǎo)鏈還是滯后鏈。除此之外，模板轉(zhuǎn)換的結(jié)果是重復(fù)還是缺失，取決于新的復(fù)制叉是在起始復(fù)制叉的上游還是下游。

研究表明，由于DNA復(fù)制錯(cuò)誤而產(chǎn)生的拷貝數(shù)變異在SMS綜合征或PTLS綜合征、佩梅病、LIS1、MECP2等位點(diǎn)上都有被發(fā)現(xiàn)。通過(guò)“復(fù)制叉停滯與模板交換”機(jī)理不但可以產(chǎn)生長(zhǎng)度高達(dá)數(shù)Mb的拷貝數(shù)變異，還能夠引起單個(gè)外顯子水平和基因水平的重排并產(chǎn)生拷貝數(shù)變異?！皬?fù)制叉停滯與模板交換”可以導(dǎo)致基因的重復(fù)和外顯子混編，這些過(guò)程是驅(qū)動(dòng)基因和基因組進(jìn)化的主要機(jī)制。

4 結(jié)語(yǔ)

拷貝數(shù)變異是產(chǎn)生人類遺傳多樣性和個(gè)體間遺傳差異的一個(gè)重要來(lái)源。與單核苷酸多態(tài)性相比，拷貝數(shù)變異涉及更多的人類基因組序列，具有更高的突變率?；贒NA重組機(jī)制（例如非等位同源重組和等位同源重組）與DNA錯(cuò)誤復(fù)制機(jī)制（例如“復(fù)制叉停滯與模板交換”）的基因組重排可以產(chǎn)生多種類型的拷貝數(shù)變異?？截悢?shù)變異與人類復(fù)雜疾病相關(guān)，也可以導(dǎo)致呈孟德?tīng)栠z傳的單基因疾病。但是，由于當(dāng)前基因組覆蓋率和拷貝數(shù)變異研究方法的分辨率的限制，人類基因組中沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)的拷貝數(shù)變異還有很多。今后，對(duì)拷貝數(shù)變異相關(guān)疾病以及人類基因組的系統(tǒng)研究，可以使我們對(duì)拷貝數(shù)變異的形成、分布、進(jìn)化、生物學(xué)效應(yīng)以及自然選擇等問(wèn)題產(chǎn)生更加全面認(rèn)識(shí)。

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1004-7344（2016）30-0296-02

2016-10-9

胡惠芳（1982-），女，碩士，主要從事生物、化學(xué)等相關(guān)工作。