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结构变异

结构变异（Structural variation，SV）是指染色体结构上的异常，它们可能导致基因组不稳定和遗传疾病。SV一般是指生物基因组中50bp以上的序列变化，最常见的包括大片段的缺失（deletion）、插入（insertion）、重复（duplication）、倒位（inversion）、易位（translocation）等类型。结构变异可能会导致基因剂量的改变，编码区的结构变异可能会影响基因的转录来改变翻译产物，非编码区域的结构变异可能会通过位置效应影响基因表达调控。在每个人类基因组中，平均有27622个结构变异发生在编码区和非编码区域，并且大型的结构变异更容易影响基因的表达^[1-2]。

Hi-C检测结构变异

相比二代WGS，Hi-C对SV的识别不依赖于测序reads对SV断点的直接覆盖，因而能够在较低测序深度下检测位于复杂基因组区域的SV，尤其是基因组重复区域（例如，着丝粒区域、异染色质区域或序列同源性较高区域）。而针对CNV和易位等大型结构变异（>1 Mb）^[3]和复杂的结构变异，Hi-C技术具有明显的检测优势。

结构变异检测方法（WGS、光学图谱、Hi-C）比较^[3]

Hi-C具有广泛的基因组互作信息，两个基因组位点之间的空间距离可以通过两个基因组位点之间的连接reads数（相互作用或互作频率）来估计。相互作用频率随基因组距离呈指数衰减。在基因组片段的重排事件中，发生重排的基因组区域因为线性距离的变化造成区域内基因组片段之间的空间位置关系发生改变，进而在Hi-C相互作用矩阵中表现为异常的互作信号。不同类型的基因组重排有不同的互作模式：

通过Hi-C互作图谱识别多种类型的结构变异^[4]

三维结构和结构变异之间的关系

疾病相关的结构变异与三维基因组结构紧密关联。癌症基因组中SV可以通过多种方式改变转录，包括改变拷贝数和改变DNA compartment结构、TAD结构，以及通过影响loop来改变增强子、启动子和其他转录调控元件之间的相互作用。

事实上，80%的结构变异在癌症中会引起TAD融合^[5]。SV可以通过改变TAD的边界的位置，影响增强子-启动子相互作用，从而引起基因失调并可能最终导致疾病。例如，跨越TAD边界的缺失、倒位和易位可以重组TAD，这可能会断开增强子与其靶基因的连接，或者将增强子与潜在的新靶基因重新连接；跨越TAD边界的重复则可能创建新的TAD（“Neo-TAD”） ，塑造全新的调控关系。

疾病中结构变异与TAD变化关系密切^[6]

不难看出，SV影响三维基因组结构，并且改变基因表达的调控关系，通常与启动子和增强子（分别参与转录起始和转录扩增）等顺式调控元件（CREs）关联。SV可以改变这些元件之间的距离和方向，从而产生新的联系，导致基因表达的异常，例如通过增强子劫持、CRE-基因融合（CRE–gene fusion）、新形成增强子相关互作（Enhancer de novo looping）等机制。

SV可以影响基因表达的五种机制^[7]

此外，SV影响CRE-基因互作，还可以通过增强子扩增，以及染色体外DNA中形成增强子loop等。增强子扩增（Enhancer amplification）是指基因组上某些强烈的、特定谱系的增强子发生拷贝数增加，从而导致其所控制的基因表达水平的增加的现象。这种机制可以激活一些原癌基因，促进癌症的发展^[8-9]。染色体外环状DNA（ecDNA）结构可以以数百个拷贝的形式存在，经常携带一个或多个致癌基因。ecDNA中基因的上调主要是通过剂量效应介导的。同时，ecDNA中染色质开放性变化，以及整合自其他基因组的增强子可以形成新的E-P loop协调基因表达。例如，2023年5月，中山大学附属第一医院、中山大学南昌研究院、武汉大学人民医院、武汉市中心医院，澳门理工学院，武汉大学中南医院等机构的专家团队合作在Nucleic Acids Research上联合发表了有关HPV病毒整合对全基因组转录影响相关的研究成果^[10]，该研究发现HPV整合宿主细胞产生的超级增强子促使ecDNA不受约束的转录，其中失调的ecDNA基因与癌症相关通路相关。另外，ecDNA可以作为线性基因组上启动子的反式增强子，与其他ecDNA分子形成一种称为ecDNA枢纽的结构，从而促进扩增片段之间的协同作用^[11]。

HPV整合，ecDNA上的超级增强子^[10]

Hi-C解析多种疾病的结构变异

示例1 （关键词：罕见病、插入、neo-TAD、增强子劫持）

研究题目：Enhancer hijacking at the ARHGAP36 locus is associated with connective tissue to bone transformation^[12]

发表期刊：Nature Communications

发表时间：2023年4月

研究方法：Sanger测序、array-CGH （血液）、FISH、Trio WGS、Trio WES、Hi-C、ChIP-seq数据、RNA-seq数据、体外验证（过表达ARHGAP36）

研究材料：人的成纤维细胞

2023年4月，德国马克斯·普朗克分子遗传学、发育和疾病组研究所Uirá Souto Melo团队在Nature Communications上发表研究成果。该研究显示，在一起罕见的异位骨化症病例中，多重技术检测到与病症有关的结构变异，其中Trio-WES未检测到任何致病的结构变异，array-CGH检测到其2号染色体上存在约820 kb的杂合重复。荧光原位杂交 (FISH) 显示该重复片段插入到X染色体。Trio-WGS证实发生了重复性插入Xq26.1[der(X)ins(X;2)(q26.1;p13.3)]，Sanger测序进一步以碱基水平分辨率绘制了插入位点的断点图。

进行性异位骨化的Xq26.1[der(X)ins(X;2)(q26.1;p13.3)]

接着通过Hi-C、ChIP-seq和RNA-seq数据，研究发现，异位骨化症患者由于X染色体的TAD结构被破坏，发生了增强子（ANTRX1 gene body内）劫持事件，导致ARHGAP36基因的异常表达，从而激活Hedgehog信号传导和与细胞外基质生成相关的基因/蛋白质，最终表现出一种罕见的进行性异位骨化症。

重复性插入

重复性插入破坏了病患X染色体的TAD结构，发生"增强子"劫持

示例2（关键词：肿瘤、复杂基因组重排、neo-TAD）

研究题目：3D genome mapping identifies subgroup-specific chromosome conformations and tumor-dependency genes in ependymoma^[13]

发表期刊：Nature Communications

发表时间：2023年4月

研究方法：Hi-C、(CTCF和H3K27ac)ChIP-seq、RNA-seq、PCHi-C、CUT&Tag（CTCF）、WGBS、CRISPR-Cas9敲低和/或敲除验证

研究材料：幕上室管瘤（ZFTA）和颅后窝室管瘤（PFA）样本

2023年4月，加州大学圣地亚哥分校的Lukas Chavez研究团队在Nature Communications上发表了研究成果。在该研究中，通过分析不同类型室管瘤的三维基因组结构，发现了一些结构变异、染色质构象和肿瘤依赖性基因，以及一些可能的治疗靶点。

在幕上室管瘤（ZFTA）中，结构变异（染色体碎裂）不仅导致了ZFTA-RELA融合基因的产生，还导致了一些新的调控环境的形成，这些环境与RCOR2基因的异常过表达有关。 RCOR2是CoREST复合物中的支架蛋白，与癌症发生有关。ZFTA细胞对调节CoREST复合物的抑制剂敏感。

ZFTA肿瘤基因组（样本4EP53）中，串联重复导致ZFTA-RELA融合（chr1:63532174-65429788，绿框），重构了TAD并生成跨越DNA断点的neo-TAD（黑框），RCOR2位于neo-TAD内新的调控环境中

在颅后窝室管瘤（PFA）中，H3K27的甲基化减少和乙酰化增加，并且还具有特有的三维染色质组织。通过靶向ITGA6（一个参与PFA特异性染色质簇的基因），证明了整合素信号对于维持PFA肿瘤生长的重要性。整合素信号对于肿瘤进展的重要性还表现在LAMC1基因在复发性PFA肿瘤（经常伴有染色体1q的拷贝数变异）中的转录激活。针对整合素信号的策略，包括ITGA6和LAMC1，可能揭示颅后窝室管瘤的脆弱性，并克服治疗的抗性。此外，PFA中DNA高甲基化导致CTCF结合结合，loop结构发生变化，影响PFA依赖性基因ARL4C和NELFB的转录激活。

复发性PFA肿瘤的染色体间易位将LAMC1置于neo-TAD内

示例3（关键词：遗传病、CGC短串联重复、TAD\loop重构）

研究题目：Spatially coordinated heterochromatinization of long synaptic genes in fragile X syndrome^[14]

发表期刊：Cell

发表时间：2023年12月

研究方法：免疫荧光、FISH、Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq、CUT&RUN、qRT-PCR、ONT测序（靶向测序和甲基化）、 CRISPR-Cas9验证

研究材料：脆性X染色体综合征（FXS）患者的诱导多能干细胞（iPSC）、iPSC来源的神经祖细胞、EBV转化的淋巴母细胞和CGG扩增至具有突变长度的脑组织

2023年12月，宾夕法尼亚大学Jennifer E Phillips-Cremins研究团队在Cell上发表研究成果。该研究显示，脆性X染色体综合征（FXS）患者来源的人类细胞系和尸检脑组织中，FMR1基因的转录沉默是通过在常染色体和X染色体上形成Mb级别的H3K9me3修饰域来实现的。当CGG重复序列的长度在正常范围内（NL）时，FMR1基因的位置不会与远端的常染色体发生跨染色体的相互作用。当CGG重复序列的长度扩展到预变异（PM）范围时，FMR1的mRNA水平会增加，而染色体的折叠结构仍然保持完整。当CGG重复序列的长度扩展到完全变异（ML）范围时，就会出现FMR1启动子的DNA甲基化和FMR1的转录沉默，这与传统的致病模型一致。此外，该研究还在ML类样本中，观察到BREACHes，即在常染色体上有十个Mb级别的H3K9me3修饰域，以及在X染色体上有一个包含FMR1的5 Mb的H3K9me3修饰块。BREACHes在空间上通过反式互作聚集在一起，其中存在的Mb级别TADs、subTADs和顺式loops在许多FXS患者来源的样本中发生严重变换现象。当CGG重复序列从ML缩短到PM时，X染色体和部分常染色体上的BREACHes失去了H3K9me3信号，并与FMR1断开了空间联系，恢复FMR1基因表达。

FXS患者中，CGG重复序列的长度达到变异范围时，重构空间结构