短读长与长读长基因组测序揭示CHD基因附近串联重复元件变异的富集现象及其在先天性心脏病中的作用

研究人员针对先天性心脏病(CHD)遗传诊断缺口，采用短读长(srWGS)和长读长测序(lrWGS)技术，系统分析了1899例CHD患者和1932名对照中串联重复(TR)元件变异。发现CACNA1C、EVC2等CHD基因附近TR变异显著富集，首次证实TR元件可能通过调控基因表达参与CHD发病。发表于《BMC Medical Genomics》的这项研究为CHD遗传机制提供了新视角。

　　

先天性心脏病(CHD)作为最常见的出生缺陷，影响着全球约1%的新生儿，是儿童死亡和终身健康问题的重要诱因。尽管已知45%的病例与遗传因素相关，但超过半数的患者仍无法获得明确的分子诊断。传统基因组研究多聚焦单核苷酸变异(SNV)和小片段插入缺失(indel)，而对占基因组5%的串联重复(TR)元件——这些由2-6个碱基对重复数千次构成的高变区域——的研究却因技术限制长期停滞。TR元件变异可通过改变基因编码序列或调控区域功能影响疾病风险，但它们在CHD中的作用始终是未解之谜。

为破解这一难题，哈佛医学院(Harvard Medical School)联合波士顿儿童医院(Boston Children's Hospital)等机构的研究团队开展了迄今为止最大规模的CHD相关TR元件研究。通过整合短读长全基因组测序(srWGS)和PacBio长读长测序(lrWGS)技术，研究人员在1899例CHD患者和1932名对照中系统分析了269个CHD基因附近20kb范围内的TR元件变异，相关成果发表于《BMC Medical Genomics》。

研究采用三大关键技术：1) 使用GangSTR/MonSTR流程从srWGS数据中鉴定TR长度变异，并通过77例患者的PacBio HiFi lrWGS数据验证；2) 基于家系分析鉴定新生(de novo)和遗传性TR变异；3) 运用空间聚类分析和传递不平衡检验(TDT)评估变异富集程度。

主要发现

1. 技术验证：比较显示GangSTR与PacBio的TR基因型一致性达76%，而GangSTR与GATK HaplotypeCaller的一致性为88%，证实短读长数据可用于TR变异筛查。

2. 变异分布特征：平均每位CHD患者携带0.93个新生TR变异，主要位于内含子区(65%)和心脏特异性增强子区域。值得注意的是，CACNA1C和EVC2基因附近的TR变异在CHD组显著富集(p<1.5E-5)，这两个基因分别编码心脏钙通道蛋白和Ellis-Van Creveld综合征相关蛋白。

3. 热点变异簇：发现114个TR位点在CHD患者中呈现"三击"现象(即≥3例患者携带变异)，远超预期值74个(1.54倍富集)。如图2所示，这些热点多位于基因调控关键区域。

4. 遗传模式：传递不平衡分析揭示Tab 2基因附近的TR收缩变异在CHD家系中过度传递(OR=1.3, p=0.046)，该基因参与心脏发育信号通路调控。

这项研究首次系统揭示了TR元件变异在CHD中的重要作用：1) 建立了srWGS分析TR变异的技术标准；2) 发现CACNA1C等关键基因的TR变异富集模式为CHD诊断提供了新标记；3) 提出TR可能通过调控元件影响心脏发育基因表达的新机制。尽管尚需功能实验验证具体变异效应，但该研究为破解55%未确诊CHD病例的遗传之谜开辟了新途径，也为其他复杂疾病的TR研究提供了范式。未来扩大基因组分析范围、结合单细胞多组学技术，将更全面揭示TR变异在心血管疾病中的调控网络。