阐明遗传暗物质–发现人类“ DNA重复序列”

首先直接分析人类基因组中的致病序列。

DNA重复序列的扩增非常难以分析。柏林马克斯·普朗克分子遗传学研究所的研究人员开发的一种方法可以对这些以前无法进入的基因组区域进行详细研究。它结合了纳米孔测序，干细胞和CRISPR-Cas技术。该方法可以改善未来各种先天性疾病和癌症的诊断。

基因组的大部分由单调区域组成，其中基因组的短片段重复数百或数千次。但是，这些“ DNA重复序列”在错误位置的扩增可能会产生严重后果，例如对于脆性X综合征患者，这种患者是人类认知障碍的最常见的遗传性原因之一。但是，这些重复区域仍被视为未知领域，即使采用现代方法也无法对其进行适当检查。

该测序仪具有微小的纳米孔，可以确定DNA序列和表观遗传学特征。

柏林马克斯·普朗克分子遗传学研究所的弗朗兹·约瑟夫·穆勒和基尔的石勒苏益格－荷尔斯泰因大学医院组成的研究小组最近阐明了这个难以进入的基因组区域。Müller的团队是第一个成功确定源自患者的干细胞培养物中基因组串联重复序列长度的团队。研究人员还通过扫描个体DNA分子获得了有关重复序列表观遗传状态的数据。该方法基于纳米孔测序和CRISPR-Cas技术，为重复基因组区域的研究以及对各种疾病的快速，准确诊断打开了大门。

X染色体上的基因缺陷

在脆性X综合征中，X染色体上名为FMR1 的基因中的重复序列已扩展。Müller说：“细胞识别出重复区域，并通过将甲基附着在DNA上将其关闭。”这些小的化学变化具有表观遗传效应，因为它们使基础遗传信息保持完整。“不幸的是，表观遗传标记扩散到了整个基因，然后被完全关闭，”Müller解释说。已知该基因对于正常的大脑发育必不可少。他说：“如果没有FMR1基因，我们会看到严重的发育迟缓导致不同程度的智力残疾或自闭症。”

在大多数情况下，女性个体受疾病影响较小，因为重复区通常仅位于两个X染色体之一上。由于未改变的基因的第二个副本没有在表观遗传上发生改变，因此它能够弥补遗传缺陷。相比之下，男性只有一个X染色体和一个受影响基因的副本，并显示出完整的临床症状。该综合征是由短串联重复序列扩展引起的约30种疾病之一。

短串联重复序列的首次精确定位

在这项研究中，Müller和他的团队研究了源自患者组织的干细胞的基因组。他们能够确定重复区域的长度及其表观遗传特征，这是传统测序方法无法实现的一项壮举。研究人员还发现，即使在单个患者的细胞之间，重复区域的长度也会有很大的差异。

研究人员循序渐进，首先选择性地富集了重复序列的分子，分析了电信号，然后确定了重复序列的长度及其表观遗传学特征。

研究人员还用源自患者的细胞测试了其过程，该细胞在 C9orf72基因的两个副本之一中包含扩展的重复序列。这种突变导致额颞叶痴呆和肌萎缩性侧索硬化的最常见的单基因原因之一。“我们是第一个在单个实验中绘制延伸和不变重复区域的全部表观遗传学的人，”Müller说。此外，DNA分子上的目标区域在物理上保持完全不变。“我们开发了一种独特的方法来分析单分子和我们基因组的最暗区域–这就是让我如此兴奋的原因。”

微小的毛孔可扫描单个分子

对于高度重复的DNA序列，常规方法受到限制。更不用说无法同时检测重复序列的表观遗传特性。该出版物的第一作者之一比约恩·布朗德尔（BjörnBrändl）说。这就是为什么科学家使用Nanopore测序技术来分析这些区域的原因。DNA片段化，每条链穿过硅芯片上的一百个小孔（“纳米孔”）之一。同时，带电粒子流经孔并产生电流。当DNA分子穿过这些孔之一时，电流会根据DNA的化学性质而变化。电信号的这些波动足以使计算机重建遗传序列和表观遗传化学标记。该过程发生在每个孔中，因此发生在DNA的每条链上。

基因组编辑工具和生物信息学阐明了“暗物质”

常规测序方法可分析患者的整个基因组。现在，科学家设计了一种选择性观察特定区域的过程。Brändl使用CRISPR-Cas系统从包含重复区域的基因组中切割出DNA片段。这些片段经过几个中间处理步骤，然后被漏斗到测序芯片上的孔中。

生物信息学家Pay Giesselmann说：“如果我们不以这种方式对分子进行预分选，那么它们的信号将被其余基因组的噪音淹没。”他必须开发一种算法，专门用于解释重复序列产生的电信号：“大多数算法失败是因为它们不希望重复序列的规则模式。”吉斯曼（Giesselmann）的程序“ STRique”无法确定基因序列本身，但它可以高精度地计算序列重复的次数。该程序可从互联网上免费获得。

在研究和临床上有许多潜在的应用

“借助CRISPR-Cas系统和我们的算法，我们可以检查基因组的任何部分，尤其是那些使用常规方法难以检查的区域，”负责该项目的Müller说。“我们创造了使每个研究人员都能探索基因组暗物质的工具，”穆勒说。他认为基础研究具有巨大潜力。“有证据表明，重复序列在神经系统发育过程中会增长，我们希望对此进行仔细研究。”

医师还设想了在临床诊断中的许多应用。毕竟，重复区域参与了癌症的发展，新方法相对便宜且快速。Müller决心将程序进行到更高层次：“我们非常接近临床应用。”

参考：Pay Giesselmann，BjörnBrändl，Etienne Raimondeau，Rebecca Bowen，Christian Rohrandt，Rashmi Tandon，Helene Kretzmer，GünterAssum，Christina Galonska，Reiner Siebert，Ole Ammerpo“通过纳米孔测序分析短串联重复序列扩增及其甲基化状态”苍鹭，苏珊娜·施耐德，朱莉娅·拉德维希，菲利普·科赫，伯恩哈德·舒尔德，詹姆斯·格雷厄姆，亚历山大·迈斯纳和弗朗兹·约瑟夫·穆勒，2019年11月18日，自然生物技术.DOI：
10.1038 / s41587-019-0293-x