Variación estructural

La variación estructural genómica es la variación en la estructura del cromosoma de un organismo , como deleciones, duplicaciones, variantes en el número de copias , inserciones, inversiones y translocaciones . Originalmente, una variación estructural afecta una longitud de secuencia de aproximadamente 1 kb a 3 Mb, que es más grande que los SNP y más pequeña que la anomalía cromosómica (aunque las definiciones tienen cierta superposición). ^[1] Sin embargo, el rango operativo de variantes estructurales se ha ampliado para incluir eventos > 50 pb. ^[2] Algunas variantes estructurales están asociadas con enfermedades genéticas , sin embargo, la mayoría no lo son. ^{[3] [4]} Aproximadamente el 13% del genoma humano se define como estructuralmente variante en la población normal, y hay al menos 240 genes que existen como polimorfismos de deleción homocigotos en poblaciones humanas, lo que sugiere que estos genes son prescindibles en los humanos. ^[4] Si bien los humanos tienen una mediana de 3,6 Mbp en SNP (en comparación con un genoma de referencia), una mediana de 8,9 Mbp se ve afectada por la variación estructural, que por lo tanto causa la mayoría de las diferencias genéticas entre humanos en términos de datos de secuencia sin procesar. ^[4]

Microscópico significa que se puede detectar con microscopios ópticos , como aneuploidías , cromosomas marcadores , reordenamientos macroscópicos y variación en el tamaño de los cromosomas. ^{[5] [6]} Se cree que la frecuencia en la población humana está subestimada debido al hecho de que algunos de estos no son realmente fáciles de identificar. Estas anomalías estructurales existen en 1 de cada 375 nacidos vivos según información putativa. ^[7]

Las variantes estructurales submicroscópicas son mucho más difíciles de detectar debido a su pequeño tamaño. El primer estudio en 2004 que utilizó microarreglos de ADN pudo detectar decenas de loci genéticos que exhibían variación en el número de copias , deleciones y duplicaciones , mayores a 100 kilobases en el genoma humano. ^[8] Sin embargo, para 2015 los estudios de secuenciación del genoma completo pudieron detectar alrededor de 5.000 variantes estructurales tan pequeñas como 100 pares de bases que abarcan aproximadamente 20 megabases en cada genoma individual. ^{[3] [4]} Estas variantes estructurales incluyen deleciones, duplicaciones en tándem, inversiones e inserciones de elementos móviles . La tasa de mutación también es mucho más alta que las variantes estructurales microscópicas, estimada por dos estudios en 16% y 20% respectivamente, los cuales probablemente sean subestimaciones debido a los desafíos de detectar con precisión las variantes estructurales. ^{[3] [9]} También se ha demostrado que la generación de variantes estructurales espontáneas aumenta significativamente la probabilidad de generar más variantes espontáneas de un solo nucleótido o indels dentro de las 100 kilobases del evento de variación estructural. ^[3]

La variación en el número de copias (CNV) es una gran categoría de variación estructural, que incluye inserciones , deleciones y duplicaciones . En estudios recientes, las variaciones en el número de copias se prueban en personas que no tienen enfermedades genéticas, utilizando métodos que se utilizan para la genotipificación cuantitativa de SNP. Los resultados muestran que el 28% de las regiones sospechosas en los individuos en realidad contienen variaciones en el número de copias. ^{[10] [11]} Además, las CNV en el genoma humano afectan a más nucleótidos que el polimorfismo de nucleótido único (SNP). También es digno de mención que muchas de las CNV no se encuentran en regiones codificantes. Debido a que las CNV generalmente son causadas por recombinación desigual , las secuencias similares generalizadas como LINE y SINE pueden ser un mecanismo común de creación de CNV. ^{[12] [13]}

Se conocen varias inversiones relacionadas con enfermedades humanas. Por ejemplo, la inversión recurrente de 400 kb en el gen del factor VIII es una causa común de hemofilia A , ^[14] y las inversiones más pequeñas que afectan a la idunorato 2-sulfatasa (IDS) causarán el síndrome de Hunter . ^[15] Otros ejemplos incluyen el síndrome de Angelman y el síndrome de Sotos . Sin embargo, investigaciones recientes muestran que una persona puede tener 56 inversiones putativas, por lo que las inversiones no patológicas son más comunes de lo que se suponía anteriormente. También en este estudio se indica que los puntos de ruptura de inversión se asocian comúnmente con duplicaciones segmentarias. ^[16] Una inversión de 900 kb en el cromosoma 17 está bajo selección positiva y se predice que aumentará su frecuencia en la población europea. ^[17]

Pueden ocurrir variantes estructurales más complejas que incluyen una combinación de las anteriores en un solo evento. ^[3] El tipo más común de variación estructural compleja son las duplicaciones no en tándem, donde la secuencia se duplica y se inserta en orientación invertida o directa en otra parte del genoma. ^[3] Otras clases de variantes estructurales complejas incluyen deleción-inversión-deleciones, duplicación-inversión-duplicaciones y duplicaciones en tándem con deleciones anidadas. ^[3] También existen translocaciones crípticas y disomía uniparental segmentaria (UPD). Hay cada vez más informes de estas variaciones, pero son más difíciles de detectar que las variaciones tradicionales porque estas variantes están equilibradas y los métodos basados ​​en matrices o PCR no pueden localizarlas. ^[18]

Se sospecha que algunas enfermedades genéticas son causadas por variaciones estructurales, pero la relación no es muy segura. No es plausible dividir estas variantes en dos clases, "normales" o "enfermas", porque el resultado real de la misma variante también variará. Además, algunas de las variantes son realmente seleccionadas positivamente para (mencionadas anteriormente). Una serie de estudios han demostrado que las CNV espontáneas ( de novo ) que alteran genes alteran genes aproximadamente cuatro veces más frecuentemente en el autismo que en los controles y contribuyen a aproximadamente el 5-10% de los casos. ^{[3] [19] [20] [21] [22]} Las variantes hereditarias también contribuyen a alrededor del 5-10% de los casos de autismo. ^[3]

Las variaciones estructurales también tienen su función en la genética de poblaciones. La frecuencia diferente de una misma variación puede utilizarse como marca genética para inferir la relación entre poblaciones de diferentes áreas. Una comparación completa entre la variación estructural de humanos y chimpancés también sugirió que algunas de estas pueden estar fijadas en una especie debido a su función adaptativa. ^[23] También hay deleciones relacionadas con la resistencia a la malaria y el SIDA . ^{[24] [25]} Además, se piensa que algunos segmentos altamente variables son causados ​​por la selección equilibradora, pero también hay estudios en contra de esta hipótesis. ^[26]

Algunos navegadores de genomas y bases de datos bioinformáticas tienen una lista de variaciones estructurales en el genoma humano con énfasis en las CNV, y pueden mostrarlas en la página de navegación del genoma, por ejemplo, UCSC Genome Browser . ^[27] En la página que muestra una parte del genoma, se pueden habilitar las "CNV de células comunes" y "Var estructural". En NCBI, hay una página especial ^[28] para la variación estructural. En ese sistema, se muestran tanto las coordenadas "internas" como las "externas"; ambas no son puntos de ruptura reales, sino rangos mínimos y máximos supuestos de secuencia afectados por la variación estructural. Los tipos se clasifican como inserción, pérdida, ganancia, inversión, LOH, evertido, transchr y UPD. ^{[ cita requerida ]}

Se han desarrollado nuevos métodos para analizar la variación estructural genética humana a alta resolución. Los métodos utilizados para analizar el genoma se realizan de forma específica o a nivel de todo el genoma. Para las pruebas de todo el genoma, los métodos de hibridación genómica comparativa basados ​​en matrices brindan los mejores escaneos de todo el genoma para encontrar nuevas variantes en el número de copias. ^[30] Estas técnicas utilizan fragmentos de ADN que están marcados a partir de un genoma de interés y se hibridan, con otro genoma marcado de manera diferente, con matrices manchadas con fragmentos de ADN clonados. Esto revela diferencias en el número de copias entre dos genomas. ^[30]

Para los exámenes específicos del genoma, los mejores ensayos para verificar áreas específicas del genoma se basan principalmente en PCR. El mejor establecido de los métodos basados ​​en PCR es la reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa en tiempo real (qPCR). ^[30] Un enfoque diferente es verificar específicamente ciertas áreas que rodean duplicaciones segmentarias conocidas, ya que generalmente son áreas de variación en el número de copias. ^[30] Se puede utilizar un método de genotipado de SNP que ofrece intensidades de fluorescencia independientes para dos alelos para identificar los nucleótidos entre dos copias de una duplicación segmentaria. ^[30] A partir de esto, se puede observar un aumento en la intensidad de uno de los alelos en comparación con el otro.

Con el desarrollo de la tecnología de secuenciación de próxima generación (NGS), se han informado cuatro clases de estrategias para la detección de variantes estructurales con datos NGS, cada una de las cuales se basa en patrones que son diagnósticos de diferentes clases de SV. ^{[31] [29] [32] [33]}

• Los métodos de profundidad de lectura o de recuento de lecturas suponen una distribución aleatoria (por ejemplo, la distribución de Poisson ) de lecturas de secuencias de lectura cortas. La divergencia de esta distribución se investiga para descubrir duplicaciones y deleciones. Las regiones con duplicación mostrarán una mayor profundidad de lectura, mientras que aquellas con deleción darán como resultado una profundidad de lectura menor.
• Los métodos de lectura dividida permiten detectar inserciones (incluidas las inserciones de elementos móviles ) y deleciones con una resolución de un solo par de bases. La presencia de un gen SV se identifica a partir de una alineación discontinua con el genoma de referencia. Un espacio en la lectura marca una deleción y en la referencia marca una inserción.
• Los métodos de pares de lecturas examinan la longitud y la orientación de las lecturas de extremos emparejados a partir de datos de secuenciación de lecturas cortas. Por ejemplo, los pares de lecturas más separados de lo esperado indican una deleción. Asimismo, se pueden descubrir translocaciones, inversiones y duplicaciones en tándem mediante pares de lecturas.
• El ensamblaje de secuencias de novo se puede aplicar con lecturas que sean lo suficientemente precisas. Si bien, en la práctica, el uso de este método está limitado por la longitud de las lecturas de secuencias, los ensamblajes genómicos basados ​​en lecturas largas ofrecen un descubrimiento de variación estructural para clases como inserciones que escapan a la detección cuando se utilizan otros métodos. ^[34]

• Variación estructural en el genoma humano

• El proyecto de los 1000 genomas