破碎基因组的结构:研究证明了新测序技术的潜力

为了在我们DNA的暗物质中寻找疾病线索，科学家们重建了基因组中存在大量畸变的患者的染色体，这些畸变可能会改变附近基因的表达，并可能导致疾病。他们的研究结果发表在自然通讯．

“我们才刚刚开始了解非编码部分的突变是如何导致疾病的，”马克斯·普朗克分子遗传学研究所(MPIMG)发展与疾病研究小组负责人、Charité-Universitätsmedizin柏林医学与人类遗传学研究所所长、遗传学家斯特凡·蒙德洛斯说。“这项研究帮助我们了解非编码DNA的重要性，以及基因组重排如何导致疾病。”

20多年前，蒙德洛斯治疗了一位患有轻度智力残疾的病人。当时，科学家用来窥探一个人基因组的技术还很初级。但即使使用老式的染色体组型分析，蒙德洛斯也能发现，她的一些染色体上有非常多的畸变。然而，她活了下来。

这个不寻常的病例一直留在蒙德洛斯的脑海里，她的细胞被冷冻在液氮中，直到2019年。Mundlos和MPIMG的博士后研究员Robert Schöpflin和Uirá Souto Melo决定使用新开发的基因组工具仔细研究她的染色体。

那时，关于遗传学及其与疾病联系的知识已经得到了扩展。就在十年前，科学家们认为只有蛋白质编码基因的突变才会导致疾病。这样的编码基因只占基因总数的百分之二人类基因组．剩下的98%被称为“垃圾DNA”。

但随着测序技术的进步，科学家们已经了解到，即使是非编码DNA也可能至关重要。“它的一部分可以帮助调节基因表达，而非编码区域的突变可以导致疾病，”Melo说。鉴于我们对非编码DNA知之甚少，一些人将其称为DNA的“暗物质”。

“这种‘暗物质’可能在许多疾病中功能失调，”Melo说。只有40%的病人遗传疾病因为遗传学家无法在编码区域发现任何明显的错误，所以无法做出诊断。“我们认为这些突变的很大一部分是在非编码区域，”Melo说。“这是必须的，否则我们就错过了生物学中一些非常基本的东西。”

2011年，科学家们报告称，有时DNA会在一种称为“嗜铬病”的灾难性事件中破碎成碎片。细胞的修复技术人员试图重新组装这些碎片，但由于有这么多碎片，最终的产品并不总是与原始的相似，这并不奇怪。如果缺失的片段太多，细胞就会死亡。但如果这个糟糕的工作发生在“非编码”地区，那么这个人可能会活下来。有时，即使DNA异常，病人也没事。其他时候，他们表现出遗传疾病。

但在所有细胞中都有如此极端的染色体重排的人是罕见的。梅罗说，世界上只有少数报道的病例患有嗜色菌病并存活下来。蒙德洛斯20年前的病人就是其中之一。她的DNA成为了团队的宝贵资源，他们想要探索非编码DNA的奥秘。

研究小组仔细考虑了如何分析她的基因组。基因组测序技术正在迅速发展，随着人们对DNA如何被压缩到直径为0.05毫米的细胞核的认识也在迅速发展。

在精确包装过程中，DNA区域折叠成3D结构，称为“拓扑关联结构域”(TADs)。它们是由基因和调控元件排列成不同形状的复合物核苷酸序列．

Melo和他的同事使用一种叫做Hi-C的工具，结合基因组测序来读取这些TADs的3D结构。然后，他们可以以高分辨率重建患者的DNA结构。“我们很惊讶用这种方法检测到许多以前未知的重排，”甜瓜说。“受影响的个体在基因组中平均有28种不同的基因组重排。”

科学家们联系了其他可能认识嗜铬症患者的遗传学家。研究小组最终从11名患者身上获得了样本。其中10人有智力障碍，而1人没有明显的障碍。他们中的一些人已经死亡，但他们同意他们的细胞可以用于研究目的。

科学家们发现，大多数染色体畸变位于基因组的非活性部分。梅洛说，这就是人们幸存下来的假设原因。如果突变位于一个活跃的区域，它们可能是致命的，或者个体会表现出更具侵略性的疾病。

但是，如果畸变发生在不活跃的区域，为什么很多病人会有智力障碍呢?科学家们发现TADs的形状发生了变化。这有可能影响附近基因的表达。事实上，一个基因离染色体断点越近，它就越有可能受到影响。

MPIMG主任Martin Vingron说:“这项研究显示了新的测序技术与先进的计算机算法相结合，在了解罕见遗传疾病和我们的遗传物质在细胞核中的组织方面的潜力。”他领导了这项研究的计算工作。

Vingron说，在嗜铬症中有如此多的染色体断裂，以至于很难说是哪一个导致了所观察到的疾病。但随着技术的进步，我们很快就会对我们基因中的暗物质有更多的了解。“能够对DNA的每个部分进行测序的技术是在过去两到三年才出现的。我们现在真的处在前沿。”