構造的変異

ゲノム構造変異とは、生物の染色体の構造の変異であり、欠失、重複、コピー数変異、挿入、逆位、転座などが含まれます。もともと、構造変異は、 SNPより大きく染色体異常より小さい、約 1kb ～ 3Mb の配列長に影響を及ぼします(定義には多少の重複があります)。^{[ 1 ]}しかし、構造変異の運用範囲は、50bp を超えるイベントを含むように拡大しました 。^{[ 2 ]}一部の構造変異は遺伝性疾患に関連していますが、ほとんどは関連していません。^{[ 3 ] [ 4 ]}ヒトゲノムの約 13% は正常集団で構造変異があると定義されており、ヒト集団ではホモ接合性欠失多型として存在する遺伝子が少なくとも 240 個あり、これらの遺伝子はヒトでは不要であることを示唆しています。^{[ 4 ]}ヒトは（参照​​ゲノムと比較して）平均3.6 MbpのSNPを保有しているが、平均8.9 Mbpは構造変異の影響を受けており、これが生の配列データの観点からヒト間の遺伝的差異の大部分を引き起こしている。^{[ 4 ]}

顕微鏡的とは、異数性、マーカー染色体、大規模な再配列、染色体サイズの変動など、光学顕微鏡で検出できることを意味します。 ^{[ 5 ] [ 6 ]}これらのうちいくつかは実際には識別が容易ではないため、ヒト集団における頻度は過小評価されていると考えられています。推定情報によると、これらの構造異常は出生児375人に1人の割合で存在します。^{[ 7 ]}

微小な構造変異は、そのサイズが小さいため検出が非常に困難です。2004年に行われたDNAマイクロアレイを用いた最初の研究では、ヒトゲノムにおいて100キロベースを超えるコピー数変異、欠失、重複を示す数十の遺伝子座を検出することができました。[8] しかし、2015年までに全ゲノムシーケンス研究では、各個人のゲノムにおいて約20メガベースに及ぶ100塩基対ほどの小さな構造変異を約5,000個^{検出できるよう}になりました。[ 3 ] [ ^{4 ]これらの構造変異}には、欠失、タンデム重複、逆位、可動性要素の挿入が含まれます。突然変異率も微小な構造変異よりはるかに高く、2つの研究でそれぞれ16%と20%と推定されていますが、構造変異を正確に検出することの難しさから、どちらも過小評価されている可能性があります。^{[ 3 ] [ 9 ]}また、自発的な構造変異の発生は、構造変異イベントから100キロベース以内でさらに自発的な一塩基変異または挿入欠失が発生する可能性を大幅に高めることも示されています。^{[ 3 ]}

コピー数多型（CNV）は、挿入、欠失、重複を含む構造変異の大きなカテゴリーです。最近の研究では、定量的SNPジェノタイピングに使用される方法を使用して、遺伝性疾患のない人々でコピー数多型が検査されています。結果は、個人の疑わしい領域の28%が実際にコピー数多型を含んでいることを示しています。^{[ 10 ] [ 11 ]}また、ヒトゲノムのCNVは、一塩基多型（SNP）よりも多くのヌクレオチドに影響を与えます。また、CNVの多くがコーディング領域にないことも注目に値します。CNVは通常、不均等組換えによって引き起こされるため、 LINEやSINEなどの広く分布する類似配列がCNV生成の一般的なメカニズムである可能性があります。^{[ 12 ] [ 13 ]}

ヒトの疾患に関連する既知の逆位はいくつかあります。たとえば、第VIII因子遺伝子の反復性400kb逆位は血友病Aの一般的な原因であり^{[ 14 ]}、イドゥノレート2-スルファターゼ（IDS）に影響を与えるより小さな逆位はハンター症候群を引き起こします^{[ 15 ]}。その他の例としては、アンジェルマン症候群とソトス症候群があります。しかし、最近の研究では、1人が56個の推定逆位を持つ可能性があることが示されており、疾患とは関係のない逆位は以前考えられていたよりも一般的です。また、この研究では、逆位のブレークポイントはセグメント重複と関連していることが多いことが示されています^{[ 16 ]} 。17番染色体の900kbの逆位は正の選択を受けており、ヨーロッパ人集団でその頻度が増加すると予測されています^{[ 17 ] 。}

より複雑な構造変異は、上記の組み合わせが単一のイベントで発生する可能性があります。^{[ 3 ]}最も一般的な複雑な構造変異は、非タンデム重複であり、配列が重複し、逆向きまたは正向きでゲノムの別の部分に挿入されます。^{[ 3 ]}その他の複雑な構造変異のクラスには、欠失-逆位-欠失、重複-逆位-重複、およびネストされた欠失を伴うタンデム重複が含まれます。^{[ 3 ]}また、隠れた転座とセグメント単親性二倍体（UPD） もあります。これらの変異の報告は増加していますが、これらの変異はバランスが取れており、アレイベースまたはPCRベースの方法では検出できないため、従来の変異よりも検出が困難です。^{[ 18 ]}

遺伝性疾患の中には構造変異が原因と疑われるものもあるが、その関係はあまり明確ではない。これらの変異を「正常」または「疾患」の2つのクラスに分けることは妥当ではない。なぜなら、同じ変異でも実際の出力は異なるからである。また、いくつかの変異は実際に正の選択を受けている（前述）。一連の研究により、遺伝子を破壊する自然発生的（de novo）CNVは、対照群よりも自閉症で約4倍の頻度で遺伝子を破壊し、症例の約5～10%に寄与することが示されている。^{[ 3 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}遺伝性変異も自閉症の症例の約5～10%に寄与している。^{[ 3 ]}

構造変異は集団遺伝学においても機能を持つ。同じ変異の頻度の違いは、異なる地域の集団間の関係を推測するための遺伝的マーカーとして使用できる。ヒトとチンパンジーの構造変異の完全な比較では、これらの変異の一部は適応機能のために一方の種に固定されている可能性があることも示唆されている。^{[ 23 ]}マラリアやエイズに対する抵抗性に関連する欠失もある。^{[ 24 ] [ 25 ]}また、高度に可変なセグメントの一部は平衡選択によって引き起こされると考えられているが、この仮説に反する研究もある。^{[ 26 ]}

一部のゲノムブラウザやバイオインフォマティクスデータベースには、CNV に重点を置いたヒトゲノムの構造的変異のリストがあり、UCSC ゲノムブラウザなどのゲノム閲覧ページに表示できます。^{[ 27 ]}ゲノムの一部を表示するページの下には、「共通細胞 CNV」と「構造的変異」を有効にすることができます。NCBI には、構造的変異専用のページがあります。 ^{[ 28 ]}このシステムでは、「内側」と「外側」の座標が表示されます。これらは実際のブレークポイントではなく、構造的変異によって影響を受ける配列の最小範囲と最大範囲の推定値です。タイプは、挿入、欠失、獲得、反転、LOH、反転、転座、UPD に分類されます。

高解像度でヒトの遺伝子構造変異を解析するための新しい方法が開発されました。ゲノムを検査する方法は、特定の標的を絞った方法か、ゲノム全体を対象とした方法のいずれかです。ゲノム全体を対象とした検査では、アレイベースの比較ゲノムハイブリダイゼーション法が、新しいコピー数変異を見つけるための最適なゲノム全体スキャンを提供します。^{[ 30 ]}これらの技術では、対象となるゲノムから標識されたDNA断片を使用し、クローン化されたDNA断片がスポットされたアレイ上で、異なる標識が施された別のゲノムとハイブリダイズさせます。これにより、2つのゲノム間のコピー数の違いが明らかになります。^{[ 30 ]}

標的ゲノム検査の場合、ゲノムの特定領域をチェックするための最適なアッセイは主にPCRベースです。PCRベースの方法の中で最も確立されているのは、リアルタイム定量的ポリメラーゼ連鎖反応（qPCR）です。^{[ 30 ]}別のアプローチは、既知のセグメント重複の周囲の特定の領域を特異的にチェックすることです。これらの領域は通常、コピー数変異の領域であるためです。^{[ 30 ]} 2つの対立遺伝子に対して独立した蛍光強度を提供するSNPジェノタイピング法を使用して、セグメント重複の2つのコピー間のヌクレオチドをターゲットにすることができます。^{[ 30 ]}これにより、一方の対立遺伝子の強度が他方と比較して増加していることが観察されます。

次世代シーケンシング（NGS）技術の開発に伴い、NGSデータを用いた構造変異の検出戦略として4つのクラスが報告されており、それぞれが異なるクラスのSVを診断するパターンに基づいている。^{[ 31 ] [ 29 ] [ 32 ] [ 33 ]}

• リード深度法またはリード数法は、ショートリードシーケンスから得られるリードがランダム分布（例えばポアソン分布）に従うことを前提としています。この分布からの逸脱を調べることで、重複や欠失を検出します。重複領域ではリード深度が高くなり、欠失領域ではリード深度が低くなります。
• スプリットリード法を用いることで、挿入（可動性遺伝因子の挿入を含む）および欠失を、単一塩基対レベルの解像度で検出することが可能です。構造変異（SV）の存在は、参照ゲノムとの不連続なアライメントによって特定されます。リード内のギャップは欠失を、参照ゲノム内のギャップは挿入を示します。
• リードペア法は、ショートリードシーケンスデータから得られたペアエンドリードの長さと向きを解析する手法です。例えば、予想よりも離れたリードペアは欠失を示唆します。同様に、リードペアを用いることで、転座、逆位、タンデム重複なども検出できます。
• 新規配列アセンブリは、十分な精度を持つリードに適用できます。実際には、この方法の使用は配列リードの長さによって制限されますが、ロングリードに基づくゲノムアセンブリは、他の方法では検出されない挿入などのクラスの構造的変異の発見を提供します。^{[ 34 ]}

• ヒトゲノムの構造的変異

• 1000ゲノムプロジェクト