雷特综合征病人和健康人不同组织中体细胞转座子插入突变的特征和频率

【字体: 时间:2019年04月18日 来源:北京大学

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  L1Hs是当前人类基因组中最活跃的亚家族之一。由于基因组内存在大量转座子拷贝,新发插入事件频率较低,以及检测技术的局限性,国际上对于体细胞转座子插入事件的研究多停留在定性和相对定量的层面,个别研究利用单细胞测序鉴定并解析了少量插入事件。

  

合子后突变是指单一个体自受精卵形成之后,基因组内由于DNA复制错误和其他突变源引入的遗传变异。因此,理论上,同一个体内任意两个细胞所携带的基因组都不相同。反转座转座子是一种可以在基因组内以“复制—粘贴”的形式跳跃的DNA元件,组成了人类基因组大约30%的序列,是重要的遗传变异来源。L1Hs是当前人类基因组中最活跃的亚家族之一。由于基因组内存在大量转座子拷贝,新发插入事件频率较低,以及检测技术的局限性,国际上对于体细胞转座子插入事件的研究多停留在定性和相对定量的层面,个别研究利用单细胞测序鉴定并解析了少量插入事件。

2019年4月11日,北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室魏丽萍教授课题组在国际知名学术期刊PLOS Genetics上在线发表了题为“Somatic LINE-1 retrotransposition in cortical neurons and non-brain tissues of Rett patients and healthy individuals”的研究论文,利用新开发的文库富集方法和数据分析流程,鉴定并研究了雷特综合征病人和健康人不同组织器官中的体细胞转座子插入突变的特征和频率。

(A)使用大脑前额皮层样本进行神经元特异的流式细胞分选 (B)L1Hs富集文库中的核苷酸位移设计 (C)文库结构、测序策略以及回帖示意图 (D)利用HAT-seq鉴定低频体细胞L1Hs插入事件示意图 (E)使用数字微液滴PCR验证低频体细胞插入事件并定量 (F)对比健康人,雷特综合征病人的外显子体细胞插入显著减少(G)对比非脑组织,大脑中具有更高的体细胞插入频率 (H)对比生殖系插入,体细胞插入受到较弱的自然选择压力

本研究首先建立了从组织DNA中富集转座子插入事件的文库构建方法。利用核苷酸位移设计,有效提升了扩增子文库的复杂性,从而可获得高质量的转座子整合位点的序列信息;在下游数据分析流程中,同时使用序列特征和信号强度来过滤噪音,并针对回帖错误、非特异性扩增进行过滤,以获得高准确度。本方法技术及其应用已经申请国家发明专利并公开(申请日2017年5月25日)。

本研究在五位雷特综合征病人和健康人的20个组织样本中鉴定出9,181个体细胞转座子插入事件,其中首次在健康人的非脑组织中鉴定并解析低频转座子插入。实验结果表明,L1Hs可以在早期胚胎发育过程中发生转座事件,造成体细胞嵌合现象。相比于健康人,在雷特病人中有显著减少的外显子插入事件,减少主要发生在长基因(>100 kb)上,暗示已携带MECP2突变的细胞较为脆弱,无法承受额外的外显子L1Hs插入。大脑相比于非脑组织具有更多的体细胞L1Hs插入事件,频率为0.63–1.66/每神经元细胞(健康人)和0.89–1.82/每神经元细胞(雷特病人)。

与基因转录本相同方向的插入(正向)易引起转录提前终止,因此受到负选择。利用同一个体内的生殖系插入作为内参,本研究发现体细胞插入具有更高的正向插入比例,表明其受到较弱的自然选择压力。在一位雷特病人中,本研究鉴定到一个早期胚胎发育时期发生的高频克隆性插入事件,插入到TGM6基因中。该病人与其他四位病人不同,显示出独特的TGM6突变相关的临床表型,提示存在基因型—表型关联。本研究揭示了体细胞转座子插入事件的分布特征和频率,建立的方法平台将极大促进对低频体细胞插入事件的鉴定,对理解体细胞嵌合突变的产生及其潜在功能有重要意义。

北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室魏丽萍教授和2009级博士毕业生、现哈佛大学医学院博士后黄岳博士为论文的共同通讯作者。2012级博士毕业生、现哈佛医学院博士后赵博洵博士为该论文第一作者。北京大学生命科学学院伍启熹博士,2013级博士毕业生、现哈佛医学院博士后叶永鑫博士,北京生命科学研究所郭婧和郑夏宁,2013级博士毕业生、现加州大学圣地亚哥分校博士后杨晓旭博士,2010级博士毕业生颜林林博士,美国国立卫生研究院Qing-Rong Liu博士和美国Lieber研究所Thomas M. Hyde博士为文章共同作者。研究得到了蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学“临床医院合作专项”、北大-清华生命科学联合中心、国家高技术研究发展计划、国家自然科学基金资金支持。

原文标题:

Somatic LINE-1 retrotransposition in cortical neurons and non-brain tissues of Rett patients and healthy individuals

https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1008043



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