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【科研】转录组--融合基因

对于疾病或者肿瘤相关的转录组数据,除了进行基础的差异分析外,还可以从可变剪切,融合基因,SNP等各种角度挖掘相关的信息,下面主要介绍下转录组中的融合基因鉴定。

1960年,在研究一个慢性髓细胞性白血病CML病人的癌细胞时,Nowell和David Hungerford发现了一种比正常染色体小的染色体,此病理染色体在95%的患有CML的病人体内都存在,具有很重要的病理诊断意义。由于其首先在美国费城(philadelphia)发现,此病变染色体被命名为ph染色体(费城染色体)。

图1 费城染色体

ph染色体应该是人类结缘融合基因的开始,ph染色体是由于9号和22号染色体的两个片段相互重排拼接后的变异22号染色体,大多数情况下,其上会有一个在诊断和治疗CML都很有意义的融合基因BCR-ABL。

什么是融合基因?

融合基因,就是两个或多个基因“融合”在一起。基因的编码区首尾相连,置于同一套调控序列(包括启动子、增强子、核糖体结合序列、终止子等)控制之下,构成的嵌合基因。正常情况下,两个基因相隔很远互不干扰,但是由于病理的染色体重排,导致相隔很远甚至是不在同一条染色体的基因组合在一起。

图2 融合基因产生原因示意图

融合基因是由染色体重排产生的,包括染色体的易位,插入,颠倒,缺失等。融合基因的产生改变了基因的蛋白编码序列或调控序列,使得基因功能发生变化,对机体的影响较大。

融合基因的功能

在生物体内发生融合基因,可导致疾病的发生。融合基因在癌症中普遍存在,与癌症的发生发展密切相关。

融合基因引发癌症的机制主要有以下几点:  

1基因转录调控的失调:指的是染色体重排会使少数与癌症相关的基因拥有强的启动子或增强子,或转录激活因子,使其异常表达(图左);  

2融合基因产生的嵌合体蛋白:融合基因可能会产生功能异常的嵌合体蛋白,使生物体紊乱(图右);  

3基因截短:融合基因可能会产生正常基因被截短,从而使得抑癌基因表达失活,蛋白功能丢失,引发癌症。

图3 融合基因引发癌症的机制

目前发现发生融合基因的癌症有乳腺癌、白血病、淋巴瘤、前列腺癌等等,已有涉及到8607个基因的9928个基因融合事件被报道与肿瘤发生有关。

融合基因的检测

显微镜染色观察:观察染色体的形态变化,ph染色体就是通过显微镜染色观察发现的;

染色体核型:当染色体带型技术问世后,可以研究大部分染色体重排了,只有少数染色体间相同带型的置换无法鉴定; 此外,该技术也有一些缺点,如需要活细胞,这就要求拿到肿瘤组织后要马上送抵实验室;某些肿瘤细胞在体外很难培养;某些基因组变异复杂的恶性肿瘤,显带结果难以从背景噪音中分辨。

荧光原位杂交:对已知的染色体重排设计探针,所以无法发现新的染色体重排;

高通量测序技术:相比较传统的方法,采用高通量测序研究融合基因的文章数量已经呈爆炸式增长。高通量测序技术研究融合基因的分辨率和通量比传统方法高得多,并且可以在基因组和转录组水平上进行研究。目前最广泛使用的是基于二代Illumina测序技术的短读长测序方法来研究融合基因。

但是基于读长太短这个致命弱点,利用二代短序列来检测融合基因还是存在一些问题:一是测序错误基因组变异的存在使得比对错误,导致融合基因的检测不准确;二是基因组重复序列导致的多重比对使得检测结果不确定。

在医学诊断及疾病治疗上的应用

融合基因由于会造成基因失调或表达异常蛋白,从而导致癌症的发生,因此在很多癌症诊断上有重要意义。

除了BCR-AML融合基因用于诊断CML外,血液病中常见的需要检测的融合基因有AML1-ETO;BCR-ABL(亚型:ela2、b2a2、b3a2);CBFb-MYH11(亚型:A-J型);E2A-PBX1(亚型:1、1a)等。

BCR-AML融合基因会产生一种病理的酪氨酸激酶,从而引起细胞增殖、黏附和生存性质的变化,导致肿瘤的发生,因此就出现了以专一性抑制BCR-AML酪氨酸激酶的小分子药物,即STI-571(伊马替尼,格列卫),伊马替尼不杀伤bcr-abl-细胞,只杀伤bcr-abl+细胞。

目前融合基因鉴定的工具也非常的多,例如:BreakFusion、Chimerascan、EricScript、FusionCatcher、FusionHunter、JAFFA、STAR-Fusion等。如此多的工具,可见该领域研究的广泛性和热度。也有非常多的文章评估不同软件的鉴定效果,但是结论都大不一致,其中FunsionCatcher, STAR-fusion都曾被评为最佳。

对数据用多个软件同时分析或许可以得出较准确的结论。

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