PLOS Genetics | 魏麗萍課題組揭示雷特綜合征病人和健康人不同組織中體細胞轉座子插入突變的特征和頻率
合子后突變是指單一個體自受精卵形成之后，基因組內(nèi)由于DNA復制錯誤和其他突變源引入的遺傳變異。因此，理論上，同一個體內(nèi)任意兩個細胞所攜帶的基因組都不相同。反轉座轉座子是一種可以在基因組內(nèi)以“復制—粘貼”的形式跳躍的DNA元件，組成了人類基因組大約30%的序列，是重要的遺傳變異來源。L1Hs是當前人類基因組中最活躍的亞家族之一。由于基因組內(nèi)存在大量轉座子拷貝，新發(fā)插入事件頻率較低，以及檢測技術的局限性，國際上對于體細胞轉座子插入事件的研究多停留在定性和相對定量的層面，個別研究利用單細胞測序鑒定并解析了少量插入事件。2019年4月11日，北京大學生命科學學院、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室魏麗萍教授課題組在國際知名學術期刊PLOS Genetics上在線發(fā)表了題為“Somatic LINE-1 retrotransposition in cortical neurons and non-brain tissues of Rett patients and healthy individuals”的研究論文，利用新開發(fā)的文庫富集方法和數(shù)據(jù)分析流程，鑒定并研究了雷特綜合征病人和健康人不同組織器官中的體細胞轉座子插入突變的特征和頻率。
低頻體細胞轉座子L1Hs插入事件的鑒定、發(fā)生頻率和分布特征
（A）使用大腦前額皮層樣本進行神經(jīng)元特異的流式細胞分選 （B）L1Hs富集文庫中的核苷酸位移設計 （C）文庫結構、測序策略以及回帖示意圖 （D）利用HAT-seq鑒定低頻體細胞L1Hs插入事件示意圖 （E）使用數(shù)字微液滴PCR驗證低頻體細胞插入事件并定量 （F）對比健康人，雷特綜合征病人的外顯子體細胞插入顯著減少（G）對比非腦組織，大腦中具有更高的體細胞插入頻率 （H）對比生殖系插入，體細胞插入受到較弱的自然選擇壓力
本研究首先建立了從組織DNA中富集轉座子插入事件的文庫構建方法。利用核苷酸位移設計，有效提升了擴增子文庫的復雜性，從而可獲得高質量的轉座子整合位點的序列信息；在下游數(shù)據(jù)分析流程中，同時使用序列特征和信號強度來過濾噪音，并針對回帖錯誤、非特異性擴增進行過濾，以獲得高準確度。本方法技術及其應用已經(jīng)申請國家發(fā)明專利并公開（申請日2017年5月25日）。本研究在五位雷特綜合征病人和健康人的20個組織樣本中鑒定出9,181個體細胞轉座子插入事件，其中首次在健康人的非腦組織中鑒定并解析低頻轉座子插入。實驗結果表明，L1Hs可以在早期胚胎發(fā)育過程中發(fā)生轉座事件，造成體細胞嵌合現(xiàn)象。相比于健康人，在雷特病人中有顯著減少的外顯子插入事件，減少主要發(fā)生在長基因(>100 kb)上，暗示已攜帶MECP2突變的細胞較為脆弱，無法承受額外的外顯子L1Hs插入。大腦相比于非腦組織具有更多的體細胞L1Hs插入事件，頻率為0.63–1.66/每神經(jīng)元細胞（健康人）和0.89–1.82/每神經(jīng)元細胞（雷特病人）。與基因轉錄本相同方向的插入（正向）易引起轉錄提前終止，因此受到負選擇。利用同一個體內(nèi)的生殖系插入作為內(nèi)參，本研究發(fā)現(xiàn)體細胞插入具有更高的正向插入比例，表明其受到較弱的自然選擇壓力。在一位雷特病人中，本研究鑒定到一個早期胚胎發(fā)育時期發(fā)生的高頻克隆性插入事件，插入到TGM6基因中。該病人與其他四位病人不同，顯示出獨特的TGM6突變相關的臨床表型，提示存在基因型—表型關聯(lián)。本研究揭示了體細胞轉座子插入事件的分布特征和頻率，建立的方法平臺將極大促進對低頻體細胞插入事件的鑒定，對理解體細胞嵌合突變的產(chǎn)生及其潛在功能有重要意義。
北京大學生命科學學院、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室魏麗萍教授和2009級博士畢業(yè)生、現(xiàn)哈佛大學醫(yī)學院博士后黃岳博士為論文的共同通訊作者。2012級博士畢業(yè)生、現(xiàn)哈佛醫(yī)學院博士后趙博洵博士為該論文第一作者。北京大學生命科學學院伍啟熹博士，2013級博士畢業(yè)生、現(xiàn)哈佛醫(yī)學院博士后葉永鑫博士，北京生命科學研究所郭婧和鄭夏寧，2013級博士畢業(yè)生、現(xiàn)加州大學圣地亞哥分校博士后楊曉旭博士，2010級博士畢業(yè)生顏林林博士，美國國立衛(wèi)生研究院Qing-Rong Liu博士和美國Lieber研究所Thomas M. Hyde博士為文章共同作者。研究得到了蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室、北京大學“臨床醫(yī)院合作專項”、北大-清華生命科學聯(lián)合中心、國家高技術研究發(fā)展計劃、國家自然科學基金資金支持。
原文鏈接：https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1008043
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