Cell重磅：疾病相关短串联重复序列（STR）与染色质结构域边界共定位

发稿时间：2018-09-11来源：天昊生物

 

短串联重复序列（Short Tandem Repeats, STR），或称简单重复序列（Simple Sequence Repeats, SSR）及微卫星（Microsatellite），通常是基因组中由1~6个碱基单元（motif）组成的一段DNA重复序列。前人研究已经充分证明，STR在基因组上的变化与人类遗传疾病之间有着密切的关系。刚刚在今年6月份，天昊基因科技（苏州）有限公司与浙江大学医学院附属第二医院（浙医二院）神经内科罗巍教授合作，发表于国际临床神经病学及神经科学顶级期刊《Brain》的文章 “Intronic pentanucleotide TTTCA repeat insertion in the SAMD12 gene causes familial cortical myoclonic tremor with epilepsy type 1”，就首次报道了中国人群SAMD12基因内含子区五核苷酸（TTTCA）重复插入导致家族性皮层肌阵挛性震颤癫痫1型（【昊文章】天昊基因与浙医二院合作发现SAMD12基因内含子区五核苷酸（TTTCA）重复插入导致家族性皮层肌阵挛性震颤癫痫1型）。紧接着就在上周，Cell杂志又以Article形式报道了重量级研究成果，发现疾病相关短串联重复序列（STR）与染色质结构域边界之间密切相关。

 

发表期刊：Cell 发表时间：2018-8-27 影响因子：31.398

 

 

 

摘要一览

超过25种人类遗传性疾病是由STRs的不稳定扩展引起的，但人们仍不清楚为什么人类基因组中一些STRs易受不稳定扩展的影响，而其它成千上万的重复片段却相对稳定。本研究发现几乎所有与疾病相关的STRs (disease-associated STRs, daSTRs )都位于3D染色质结构域的边界处。与基因组的其余部分相比，研究人员发现了边界处的CpG岛密度明显较高，而daSTRs就极其特别的定位在了这些超高密度CpG岛的边界区域，这表明它们可能是表观遗传调控错误或与STR扩展相关的拓扑结构破坏的热点。脆弱X综合征患者(FXS)表现出严重的边界破坏情况，其方式与CTCF (CCCTC结合因子)占用率的局部损失和FMR1沉默程度相关。本研究结果揭示了高阶染色质结构为理解STRs相关疾病提供了新的视角。●

 

研究方法

o 实验样本：B淋巴细胞、成纤维细胞、脆弱X综合征死者冷冻小脑组织等。

o 实验方法：ChIP-seq、Hi-C、qRT-PCR等。

 

研究结果

o daSTRs与染色质结构域边界在人类ESCs细胞中共定位

拓扑关联域(Topologically Associating Domains, TAD)是基因组中的相接触区域，域内基因座与域外的基因座相比具有更高的相互作用频率。染色质域边界是被TADs/子TADs分开的连接点区域。曾有报道认为该边界的破坏与癌症和肢体发育疾病有关。

本研究首先利用已经报道的健康人ESCs细胞的Hi-C图谱数据，得到2384个TADs，分析后惊人发现27中的11个daSTR位于TADs边界处，包括FMR (脆性X综合征)、HTT (亨廷顿氏病)、DMPK (强直性肌营养不良症1)、FXN (弗里德里克共济失调)、C9orf72 (肌萎缩侧索硬化)和ATXN1 (脊髓小脑共济失调1)等，表明3D基因组折叠与STR扩展类遗传疾病相关。

 

 

图1、人类ESCs细胞的40 kb binned Hi-C数据热图。几乎所有疾病相关STRs都位于人类ESCs细胞中染色质结构域边界。(A) daSTR基因座与TAD (蓝色)和(B)子TAD (黄色)边界共定位。含有daSTR (红色)的基因(绿色)显示在热图下方。daSTR处的域边界用黑色箭头划界。(C)堆积条形图显示位于人类ESCs细胞中TAD、子TAD或定性结构域边界的daSTRs数量。

 

o daSTRs定位到域边界的数量明显多于基因组范围内正常长度的STR

 

图2、daSTRs与正常STR相比更容易在边界处被发现

 

o daSTRs在不同类型体细胞中的TADs共定位

分析发现daSTRs在胚胎和体细胞的边界同样存在共定位现象，以及神经疾病相关的daSTRs与人类皮层组织染色体域边界共定位。

 

o 包含daSTRs的边界具有超高密度CpG岛特征

染色体域边界可以分成至少两组: (1) CpG岛密度高、CTCF占用率高的，以及(2) CpG岛密度低的。本研究发现几乎所有的daSTRs都集中在富含CpG岛的边界，而不是没有CpG岛或域内CpG岛的边界。

 

图3、包含daSTRs的边界存在超高密度CpG岛现象

该结果表明超高密度CpG岛和TAD边界使得相关基因组位置易于产生STR不稳定性。

 

o 脆性X综合征患者FMR1 daSTR处的TAD边界消融及CTCF占用率变化现象，并且与FMR1沉默相关

值得注意的是，本研究发现来自脆弱X综合征B细胞、成纤维细胞和死者脑组织的严重边界破坏现象。边界破坏的程度与FMR1沉默的程度以及邻近FMR1 daSTR的特定区域的CTCF占用率损失相关。这些数据共同支持了一个工作模型，在该模型中，3D染色质结构域边界的关键子集上的独特遗传、表观遗传和拓扑状态可能与相应基因组中STR不稳定性易感性的增加有关 。

 

 

图4、CpG岛、3D基因组结构、STR不稳定性和基因表达之间关系模型图。(A)具有高CpG岛密度的结构域边界对STR不稳定性的作用的工作模型。(B和C)示意图概述了局部拓扑环境和初始重复扩展边界破坏和FMR1沉默之间可能的因果关系。

 

结论

o 疾病相关的短串联重复序列与TADs/子TADs边界共定位。

o 短串联重复定位边界显示高密度CpG岛。

o 脆性X综合征中与FMR1共定位的边界在结构上被破坏。

o 边界破坏与FMR1沉默和CTCF占用率损失相关。

 

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