1、 人類染色體結(jié)構(gòu)變異研究 李超摘 要：人類染色體結(jié)構(gòu)變異是多種疾病產(chǎn)生的根源，研究人體中結(jié)構(gòu)變異對癌癥和相關(guān)基因疾病的治療具有十分重要的意義。本文介紹了人類染色體結(jié)構(gòu)變異的主要情況，總結(jié)了目前已有的性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)變異檢測方法，并分析了結(jié)構(gòu)變異研究所面臨的主要挑戰(zhàn)。Key：染色體；結(jié)構(gòu)變異；檢測：Q343.2，S565.1 ：A ：1671-2064（2017）10-0188-021 染色體結(jié)構(gòu)變異1.1 染色體結(jié)構(gòu)變異簡介染色體的結(jié)構(gòu)變異 （Genomic structural variants， SVs），是人類基因變異的一個主要來源1，同時結(jié)構(gòu)變異也是一些常見疾病產(chǎn)生的主要原因。雖然基因組

2、中的結(jié)構(gòu)變異并不如單核苷酸多態(tài)（single nucleotide polymorphisms， SNPs）2更加常見，但是由于它比起SNPs有更大的尺寸及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使其在染色體組的變異中扮演著更重要的角色。結(jié)構(gòu)變異的類型主要包括兩類，一類是不改變基因片段拷貝數(shù)目的平衡性結(jié)構(gòu)變異（balanced structural variation），另一類是改變基因片段拷貝數(shù)目的非平衡性結(jié)構(gòu)變異（unbalanced structural variation）3?；绢愋偷慕Y(jié)構(gòu)變異主要包括刪除（deletions）、插入（Insertion）、倒位（Inversions）、易位（Transloca

3、tions）、隨即復(fù)制（Duplications）和拷貝數(shù)變異（Copy-Number Variants）4?；谶@幾種基本類型的結(jié)構(gòu)變異，在實際情況中會出現(xiàn)一個變異包含多種基本類型變異的情況，例如倒位易位，甚至更復(fù)雜的情況。通常情況下，一個結(jié)構(gòu)變異在序列中的長度約為1Kb到3Mb。1.2 染色體結(jié)構(gòu)變異與疾病的關(guān)系結(jié)構(gòu)變異和某些基因疾病的產(chǎn)生具有緊密相關(guān)的聯(lián)系。結(jié)構(gòu)變異存在于不同個體之間，可引起個體之間的表型差異5，例如外貌、行為、環(huán)境適應(yīng)性等6。同一個體不同細胞間的結(jié)構(gòu)變異的類型及數(shù)目也存在差異，這些結(jié)構(gòu)變異可能直接或間接的影響某些關(guān)鍵基因的表達，從而導(dǎo)致癌癥、21-三體綜合征（唐氏綜合征

4、）7、貓叫綜合性征8和一些精神類疾病的產(chǎn)生。隨著對癌癥研究的不斷深入，人們已經(jīng)意識到在癌癥的形成和發(fā)展過程中，結(jié)構(gòu)變異起到舉足輕重的作用。當人體染色體中的某些關(guān)鍵基因發(fā)生突變時，細胞的生成速度會大于細胞的凋亡速度，進而細胞群落不斷擴大，導(dǎo)致患者體內(nèi)的腫瘤逐漸形成，病情進一步惡化，形成癌癥。如果能夠把癌癥患者體內(nèi)的變異基因識別清楚，這將對癌癥的治療具有很重要的作用。目前，導(dǎo)致癌癥的典型原癌基因和抑癌基因已經(jīng)識別的比較全面。但由于檢測方法的限制，必定還有一些與癌癥的產(chǎn)生關(guān)系很大的基因未被識別出來，對這類基因的識別依然有很重要的意義。2 染色體結(jié)構(gòu)變異的檢測2.1 檢測染色體結(jié)構(gòu)變異的重要意義對基因

5、測序數(shù)據(jù)中結(jié)構(gòu)變異的檢測是對結(jié)構(gòu)變異進行研究的一項重要內(nèi)容。高通量測序技術(shù)的引進，對于生殖細胞和體細胞中結(jié)構(gòu)變異的檢測起到了巨大的推動作用。目前已有許多種基于不同統(tǒng)計方法所開發(fā)的結(jié)構(gòu)變異檢測方法，這些方法主要包括以下幾種類型：通過分析讀片的覆蓋度來檢測結(jié)構(gòu)變異的方法稱之為讀深度分析（read-depth analysis）9；通過分析高通量測序數(shù)據(jù)中不正常的映射對（mapping pairs）的檢測方法稱為雙末端映射方法（paired-end mapping methods）10；通過分析斷點類型及斷點區(qū)間的方法稱之為split-read分析。識別結(jié)構(gòu)變異需要將讀片與參考序列進行比對，根據(jù)比對

6、信息，提取異常測序片段對（discordant read pairs）11，并對其聚類，根據(jù)聚類結(jié)果判斷基因組上的結(jié)構(gòu)變異類型，進而識別出結(jié)構(gòu)變異的斷點連接點（breakpoint）即間斷點。對高通量測序平臺產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)重建待檢序列，理論上可以用于檢測任何結(jié)構(gòu)變異類型，但是由于基因組中存在著大量的重復(fù)區(qū)域，這使得在序列組裝過程中很難確定測序讀片在基因組上的準確位置。同時，由于測序錯誤的存在以及基因組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，從而加大了結(jié)構(gòu)變異檢測的困難。針對一個樣本，所用的模型不僅需要將識別出的體細胞基因組結(jié)構(gòu)變異個數(shù)控制在幾十個或者幾百個，而且還要給出每個結(jié)構(gòu)變異發(fā)生的概率值，這為癌癥早期發(fā)現(xiàn)以及診斷

7、治療提供了一個重要的參考對象。此外，大量的檢測結(jié)果表明，對于不同類型的癌癥以及同一種癌癥的不同樣本，每種結(jié)構(gòu)變異的類型所占比重不同。如何分析并解釋腫瘤異質(zhì)性，就要對癌癥樣本中的結(jié)構(gòu)變異進行識別，進而可以對癌癥病人進行靶向用藥，促進精準醫(yī)療的發(fā)展12。2.2 結(jié)構(gòu)變異的檢測方法結(jié)構(gòu)變異檢測方法性能的優(yōu)劣主要用敏感性和精確性兩個值來衡量，而敏感性和精確性在一定程度上又是兩個相互對立的概念，這就使得敏感性和精確性俱佳的方法難以得到。我們只能在盡量保證精確性的前提下提高檢測方法的敏感性，這就要求我們盡量多的結(jié)合已經(jīng)得到的序列比對信息，并且運用與堿基的分布相貼合的分布模型，來統(tǒng)計已知信息，得到更可靠的結(jié)

8、構(gòu)變異位點。現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)變異檢測方法中，有的結(jié)合信息不夠，從而導(dǎo)致檢測方法的精確性不高，有的檢測方法所用的概率分布與實際情況出入較大，這就會對檢測結(jié)果的敏感性和精確性都造成較大的不利影響。表1中總結(jié)了目前已經(jīng)發(fā)布并且應(yīng)用比較廣的四種檢測結(jié)構(gòu)變異的軟件，并且對他們的性能特點做了簡要的概述。除了上述的四種檢測結(jié)構(gòu)變異的軟件之外，還有很多與之相似的軟件，例如：Pindel，GASV，HYDRA，Swan等。值得注意的是，由于不同的軟件各有自己不同的特點，所以在進行結(jié)構(gòu)變異檢測的時候，要根據(jù)測序數(shù)據(jù)的實際情況，選用合適的軟件進行檢測。 3 結(jié)語染色體中結(jié)構(gòu)變異的研究，對各種基因疾病尤其是癌癥的治療具有十

9、分重要的意義。結(jié)構(gòu)變異研究的一項重要內(nèi)容是對其進行檢測。目前已有一些優(yōu)秀的檢測方法和軟件，它們都有各自的優(yōu)點，但也存在很多不足。建立敏感度和精確度俱佳的結(jié)構(gòu)變異檢測方法，是當前結(jié)構(gòu)變異研究的一項重要內(nèi)容。Reference1G. R. Abecasis，D. Altshuler，A. Auton等. A map of human genome variation from population-scale sequencingJ. Nature，2010， 467（7319）：1061-1073.2G. H. Roffler，S. J. Amish，S. Smith等. SNP discove

10、ry in candidate adaptive genes using exon capture in a free-ranging alpine ungulateJ. Mol Ecol Resour，2016， 16（5）：1147-1164.3R. M. Layer，C. Chiang，A. R. Quinlan等.LUMPY： a probabilistic framework for structural variant discoveryJ. Genome Biol，2014，15（6）：R84.4H. Parikh，M. Mohiyuddin，H. Y. Lam等. svclas

11、sify： a method to establish benchmark structural variant callsJ. BMC Genomics，2016， 17：64.5龔強. 基因組變異的深度挖掘M：中國科學(xué)院北京基因組研究所，2013. 135.6P. H. Sudmant，T. Rausch，E. J. Gardner等. An integrated map of structural variation in 2，504 human genomesJ. Nature，2015， 526（7571）：75-81.7李沖.唐氏綜合癥外周血表達譜分析和21號染色體DNA甲基化譜分

12、析M.復(fù)旦大學(xué)，2012. 150.8周煥庚，康雪珍，張蒨蒨.貓叫綜合癥的細胞遺傳學(xué)研究J.遺傳學(xué)報，1982（01）：20-23.9K. Chen，J. W. Wallis，M. D. McLellan等. BreakDancer： an algorithm for high-resolution mapping of genomic structural variationJ. Nat Methods，2009， 6（9）：677-681.10A. Abyzov，M. Gerstein. AGE： defining breakpoints of genomic structural variants at single-nucleotide resolution， through optimal alignments with gap excisionJ. Bioinformatics，