Science：揭示完整人類基因組中重復序列的轉錄和表觀遺傳狀態

2022年4月4日訊/生物谷BIOON/---轉座因子（transposable element）、重復序列擴張（repeat expansion）和重復序列介導的結構重排在染色體結構和物種進化中起著關鍵作用，有助于人類遺傳變異，并通過拷貝數變異、結構變異、插入、缺失以及基因轉錄和剪接的改變對人類健康產生實質性影響。盡管重復區域在基因組穩定性中發揮著重要的作用，但是在構建人類參考基因組GRCh38的過程中，由于技術的限制，這種人類參考基因組中的重復區域被歸為空白區和塌陷區。這些區域缺乏線性序列，特別是在著絲粒中，導致無法在局部和區域染色體環境中充分探索人類基因組的重復序列。

長讀測序支持了假單倍體人類細胞系CHM13的完整的端粒到端粒（T2T）組裝。這一資源提供了在基因組水平上對所有人類重復序列進行評估，包括轉座因子和以前未知的重復序列和衛星序列，后兩者位于空白區和塌陷區的內部和外部。此外，完整的人類基因組使科學家們有機會探索這些序列元件的表觀遺傳和轉錄譜，這人們理解染色體結構、功能和進化是至關重要的。比較分析在基因座水平上揭示了重復序列分歧、進化和擴張或收縮的模式。

在一項新的研究中，來自端粒到端粒（Telomere-to-Telomere, T2T）聯盟的研究人員實施了一個全面的重復序列注釋工作流程，使用以前已知的人類重復序列和從頭重復序列建模，然后進行人工整理，包括利用基因注釋評估重疊，分段復制，串聯重復序列和經過注釋的重復序列。通過使用這種方法，他們開發出一個更新的人類重復序列目錄，并完善了以前的重復序列注釋。他們在T2T-CHM13中發現了43個以前未知的重復序列和重復序列變異（repeat variant），并表征了19個復雜的經常攜帶基因的復合重復序列結構。相關研究結果發表在2022年4月1日的Science期刊上，論文標題為“From telomere to telomere: The transcriptional and epigenetic state of human repeat elements”。

通過使用精確的PRO-seq（precision nuclear run-on sequencing）技術和牛津納米孔技術公司長讀測序數據產生的CpG甲基化位點，這些作者在全基因組范圍內評估了逆轉錄因子中的RNA聚合酶結合，揭示了新生轉錄、序列分歧、CpG密度和甲基化之間的相關性。他們將這些分析擴展到評估所有重復序列的RNA聚合酶占有率，包括位于所有人類染色體的以前無法進入的著絲粒中的高密度衛星重復序列。

CHM13的端粒到端粒組裝支持重復序列注釋和發現。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abk3112。

此外，在早期發育階段和完整的細胞周期時間序列中，這些作者使用依賴圖譜和不依賴圖譜的方法，發現整個衛星重復序列中的RNA聚合酶占有率很低；相反，轉座因子轉錄很豐富，并作為CpG甲基化和著絲粒亞結構變化的一個界限。這些數據共同揭示了轉錄活躍的逆轉錄因子和DNA甲基化之間的動態關系，以及新的重復序列家族和復合重復序列的衍生和進化的潛在機制。

通過關注新興的HG002 X染色體的端粒到端粒組裝，這些作者揭示了人類群體可能存在高水平的重復序列變異，包括影響基因拷貝數的復合重復序列拷貝數。此外，他們強調了重復序列對基因組結構多樣性的影響，揭示了人類和靈長類動物之間拷貝數差異極大的重復序列擴張，同時也對逆轉錄因子轉導事件進行了高置信度的注釋。

綜上所述，這篇論文描述的全面的重復序列注釋和更新的重復序列模型可作為擴大人類基因組序列的資源，揭示特定的重復序列對人類基因組的影響。在開發這一資源時，這些作者為評估人類基因組內部和之間的重復序列變異提供了一個方法學框架。在整個基因組范圍內和局部，如著絲粒內，對重復序列的轉錄景觀進行詳盡的評估，為闡明轉錄在基因組穩定性和染色體分離的重要機制中發揮的作用的功能研究奠定了基礎。最后，這項新的研究表明，需要加大力度實現非人類靈長類動物和其他物種的端粒到端粒組裝，以充分了解定義包括人類在內的靈長類動物譜系的源自重復序列的基因組創新的復雜性和影響。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Mitchell R. Vollger et al. From telomere to telomere: The transcriptional and epigenetic state of human repeat elements. Science, 2022, doi:10.1126/science.abk3112.