撰文
Qi
自闭症谱系障碍(Autismspectrumdisorder,ASD)是一种早发性发育障碍，其特征是社交缺陷以及限制性或重复性行为。家族研究表明ASD具有丰富的遗传基础，既包含遗传变异也同时包含从头变异。据估计，在家庭中仅有一名儿童患ASD的所有病例中，从头突变（denovomutations）约占30%比例。作为人类从头突变的主要来源之一，串联重复序列（Tandemrepeats,TRs）被定义为1到20个碱基对连续重复的序列，已证实其序列扩张与数十种神经和精神疾病有关。然而，从头串联重复序列突变尚未在全基因组范围内表征，且它们对ASD的贡献仍未被探知。
近日，来自美国加州大学圣地亚哥分校的MelissaGymrek课题组和加州大学洛杉矶分校的KirkE.Lohmueller课题组在Nature杂志上合作发表了一篇题为Patternsofdenovotandemrepeatmutationsandtheirroleinautism的文章，在这项研究中，作者开发了一种新的生物信息学方法，用于从测序数据中识别和确定从头串联重复序列突变（后文简称为新生TR突变），并对患有ASD得先证者和未患病手足中的新生TR突变进行全基因组特征分析。作者发现，在ASD先证者中全基因组范围内都存在大量TR突变，在胎儿大脑调节区域更为富集，且预计在进化上更具危害性。总之，这项工作强调了在未来新生突变研究中考虑重复变异的重要性。
作者开发了一种从全基因组测序数据库中识别亲代-子代中新生TR突变的方法，命名为“MonSTR”（见图1）。首先，使用来自目前最大的自闭症数据库“SimonsSimplexCollection（SSC）”的数据对新生TR突变进行全基因组分析，且已确定该库富集可能携带先前未鉴定的致病性从头突变的先证者。随后使用GangSTR算法对串联重复序列进行基因组分型，接着通过筛选，作者在在个家庭的个不同位点共鉴定出个高度可信的TR突变。同时，作者也在模拟WGS数据集上对此方法进行测试，与传统方法相比，MonSTR在检测新生TR突变方面具有更高的灵敏度，且假阳性率较低。
图1.研究设计模式图接下来，作者对TR突变的全基因组模式进行分析。作者先将分析结果与已知的TR突变趋势进行比较，与之前的研究类似，重复单元较短的TRs估计突变率最高，并与参考TR的总长度呈正相关。此外，作者观察到大多数突变是由单个重复单元的扩展或收缩引起的，较大突变的比例较小，这一趋势因重复单元长度而变化，但总的来说，突变倾向于扩张（71%）而不是收缩（29%）。作者进一步检查了母系或父系突变亚群的突变大小，结果显示上述观察到的总体扩张偏好主要是由母系衍生的突变驱动的。此外，母体突变导致重复单位拷贝数显著增大，且这一趋势在所有重复单元长度上均能再现，其中在二核苷酸TRs上效果最强（见图2）。
图2.突变的大小分布以及亲本来源的绝对平均突变大小分布统计图随后，作者对ASD中TR突变负荷进行分析。全基因组中新观察到的常染色体TR突变总数在先证者中（平均54.65个突变）显著高于非ASD手足（平均53.05个突变）。然而，这一研究在检测先证者及其手足突变富集的特定TR基因座方面的能力有所欠缺。作为替代，作者评估了特定基因组注释中的TRs在先证者中是否显示相较于非ASD手足而言过多的突变，并发现仅在ASD先证者中观察到的具有编码或启动子突变的基因，与在非ASD手足中发现的具有突变的基因相比，显示出明显更高的胎儿期大脑表达。此外，先证者突变预计会更显著地改变大脑中邻近基因的表达。值得注意的是，大多数（84%）TR突变是早已存在于未患病亲本当中，提示只有一小部分突变具备致病性。
最后，作者试图根据预测的致病作用进一步确定TR突变的优先级。由于TRs往往是多等位基因导致非编码基因突变或框内插入缺失突变，因此通常用来注释SNV突变的指标并不适用于TRs。为了克服之一挑战，作者开发了一种群体遗传学构架命名为“SISTR（selectioninferenceatshortTRs）”，以衡量针对单个TR等位基因的阴性选择。作者应用SISTR估计全基因组TRs的选择系数，并对先证者及其未患病手足进行测试。最终共鉴定出35个突变，其中25个存在于先证者中，这一发现导致先前未观察到的等位基因预计具有严重有害性。其中，多个先证者突变存在于与ASD相关点突变的基因中（例如PDCD1、KCNB1、AGO1等），而在未患病手足中仅发现两个罕见的突变与ASD基因相关联。以上数据表明在最强选择下导致罕见等位基因的TR突变子集对ASD致病性风险最大。总体而言，这项研究提出了一个对从头串联重复序列突变进行识别和风险优先排序的新框架，这将为进一步描述TR突变及其在ASD和其他疾病中的作用提供宝贵的资源。
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