Übersicht über Kopienzahlvariationen (CNVs)

Was ist die Kopienzahlvariation (CNV)?

Kopienzahlvariationen (CNVs) umfassen Veränderungen in der Anzahl spezifischer DNA-Segmente innerhalb individueller Genome. Diese Variationen stellen eine Art von genomischer struktureller Variation dar, die typischerweise Segmente von mehr als 1 Kilobase Länge betrifft. Diese strukturellen Unterschiede können durch Prozesse wie Duplikation, Deletion oder andere Modifikationen entstehen und betreffen häufig ein oder mehrere Gene.

CNVs stellen eine Klasse von genomischen strukturellen Varianten dar, die weiter in zwei Ebenen unterteilt werden: mikroskopisch und submikroskopisch. Mikroskopische genomische strukturelle Variation bezieht sich hauptsächlich auf sichtbare chromosomale Anomalien, die unter einem Mikroskop beobachtet werden, und umfasst Zustände wie Aneuploidie, Deletionen, Insertionen, Inversionen, Translokationen und verschiedene andere strukturelle Veränderungen. Submikroskopische genomische strukturelle Variation hingegen bezieht sich auf Variationen in der Länge von DNA-Fragmenten, die von 1 Kilobase bis 3 Megabasen reichen, und umfasst Deletionen, Insertionen, Duplikationen, Umstellungen und Inversionen. Gemeinsam werden diese submikroskopischen Veränderungen als CNVs oder CNPs (Copy Number Polymorphisms, CNP) bezeichnet.

Keimbahn-Kopienzahlvariationen. (Nakatochi et al., 2021)

Mechanismen, die der Bildung von Kopienzahlvariationen (CNVs) zugrunde liegen

Kopienanzahlvariationen (CNVs) sind genetische Phänomene, die aus einer Vielzahl von genetischen Ereignissen entstehen. Diese Mechanismen umfassen mehrere unterschiedliche Prozesse. Ein solcher Mechanismus ist der Replikationsfehler, bei dem Fehler während der DNA-Replikation zu Insertionen oder Deletionen führen, was letztendlich zu Veränderungen in der Kopienzahl bestimmter DNA-Segmente führt. Ein weiterer Mechanismus beinhaltet nicht-homologe Rekombination, die durch den Austausch von DNA-Segmenten zwischen verschiedenen Chromosomen gekennzeichnet ist, was zu Veränderungen der Kopienzahlen für beide beteiligten Chromosomen führt.

Rekombinationsevents treten hauptsächlich in spezifischen Regionen repetitiver Sequenzen auf, die als Low Copy Repeats (LCRs) bekannt sind. LCRs beherbergen verschiedene genetische Elemente, einschließlich Gene, Pseudogene, Genfragmente, retrovirale Sequenzen und genregulatorische Regionen. Typischerweise befinden sich LCRs an den Enden von Chromosomen und entlang der chromosomalen Filamente. Die Größe, die relative Orientierung der LCRs, der Abstand zwischen den Kopien und der Grad der Sequenzhomologie beeinflussen alle die Bildung von CNVs.

Die genauen Mechanismen, die der Bildung von CNVs zugrunde liegen, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Es wurden mehrere Mechanismen vorgeschlagen:

• Nicht-allelische homologe Rekombination (NAHR): NAHR tritt hauptsächlich in Regionen auf, die anfällig für häufige Rekombination sind. Zu den Hauptmerkmalen von NAHR-Regionen gehören Fragmentgrößen von über 10 kb, eine Sequenzhomologie von über 97 %, eine gut definierte Sequenzorientierung und LCRs, die sich im selben Chromosom befinden.
• Nicht-homologe Endverknüpfung (NHEJ): Einige einfachere CNVs können durch den NHEJ-Mechanismus entstehen, der keine präzise Homologie zwischen DNA-Brüchen erfordert. Stattdessen kann NHEJ disparate DNA-Brüche verbinden, was potenziell zu chromosomalen Umstellungen wie Translokationen und anderen Mutationen führen kann.
• Fork Stalling und Template Switching (FoSTeS/MMBIR): FoSTeS stellt einen komplexen Mechanismus dar, der für die Erzeugung von CNVs mit komplexen Strukturen verantwortlich ist. Dieser Mechanismus erzeugt nicht nur CNVs, die sich über mehrere Megabasen erstrecken, sondern induziert auch Umstellungen auf sowohl Gen- als auch Exon-Ebene. Diese Umstellungen umfassen Gen-Duplikationen und Exon-Shuffling und tragen erheblich zur Evolution des Genoms bei.

Das Zusammenspiel dieser Mechanismen und ihre spezifischen Konsequenzen in verschiedenen Kontexten erfordern weitere Untersuchungen. Ein umfassendes Verständnis der CNV-Bildung und ihrer Implikationen für genetische Vielfalt und Krankheitsätiologie erfordert fortlaufende Forschung.

CNVs und Krankheiten

Derzeit, Kopienzahlvariationen (CNVs) Im Bereich der Krankheiten kann man grob in drei Hauptkategorien unterteilen:

• Keimbahnvererbte CNVs: Diese CNVs sind im Genom der Eltern verankert und werden über Keimzellen an ihre Nachkommen weitergegeben. Die Erkennung dieser CNVs erfordert die Untersuchung der Genome der Eltern und ist ein entscheidender Aspekt der genetischen Beratung. Keimbahnvererbte CNVs sind mit der Entwicklung zahlreicher genetischer Störungen verbunden.
• De novo erworbene CNVs: Im Gegensatz zu keimbahnvererbten CNVs sind diese Varianten nicht in den elterlichen Genomen vorhanden, sondern entstehen in den Genomen von Neugeborenen. Sie können aus plötzlichen Mutationsereignissen oder Mutationen resultieren, die während der frühen embryonalen Entwicklung auftreten. De novo erworbene CNVs sind ebenfalls mit dem Auftreten verschiedener Krankheiten verbunden.
• Somatische Zellproduzierte CNVs: Diese CNVs entstehen nach der embryonalen Einzelzellphase und können aus Umwelteinflüssen, Zellteilung oder anderen biologischen Prozessen resultieren. Somatische CNVs können zwischen verschiedenen Geweben innerhalb eines Individuums variieren und die Funktionalität sowie die Eigenschaften somatischer Zellen beeinflussen.

Auswirkungen von Kopienzahlvariationen (CNVs) auf die Genaktivität

Kopienzahlvariationen (CNVs) über verschiedene Loci im Genom verteilt, können eine Vielfalt von genomischen und molekularen phänotypischen Variationen hervorrufen, die letztendlich zur Entstehung komplexer Krankheiten, einschließlich Krebs, beitragen. Die zugrunde liegenden Mechanismen, durch die CNVs die Genexpression beeinflussen und folglich die Tumorentstehung auslösen, umfassen Folgendes:

• Gen-Knockouts und -Störungen: Die einfachste Art und Weise, wie CNVs die Genexpression beeinflussen, besteht darin, ein ganzes Gen zu eliminieren oder spezifische Teile davon zu stören. Dies kann durch die Einspeisung von Teilsequenzen geschehen, die entweder nicht funktionale oder funktionell veränderte Proteine kodieren.
• Regulatorische Regioneninterferenz: CNVs können auch ihren Einfluss ausüben, indem sie die regulatorischen Regionen eines Gens stören. Fragmentarische Deletionen innerhalb dieser regulatorischen Regionen können die transkriptionale Aktivität des Gens erhöhen, während fragmentierte Duplikationen, die Promotoren und angrenzende Bereiche betreffen, zu instabilen Umstellungen führen können, die letztendlich die Genexpressionsaktivität verringern. Ein bemerkenswertes Beispiel hierfür ist die CNV-assoziierte Modulation des UGT2B17-Gens bei Hodenkrebs, die nicht nur seine eigene Aktivität beeinflusst, sondern auch benachbarte Gene.
• Dosisabhängige Effekte: CNVs haben das Potenzial, die Expression spezifischer Gene direkt durch ihre Dosiseffekte zu modulieren. Kleine Deletionen oder Duplikationen von Genen innerhalb von CNV-Regionen können deren normale Funktion stören. Im Wesentlichen verstärkt eine Zunahme der CNV-Kopien die Genexpression innerhalb der betroffenen Region oder angrenzender Regionen, während eine Verringerung der Kopien die Genexpression verringert.
• Strukturelle Genveränderungen: CNVs können strukturelle Veränderungen in Genen hervorrufen, wodurch die Produkte der Genexpression beeinflusst werden. Zum Beispiel führt ein verbreiteter CNV auf Chromosom 1q21.1, der ebenfalls mit der Anfälligkeit für Neuroblastom in Verbindung gebracht wird, zu einer veränderten Expression eines kürzlich identifizierten Neuroblastom-Breakpoint-Familien (NBPF) Gen-Transkripts, NBPF23.

Methoden zur Erkennung von Kopienzahlvariationen (CNVs)

Array-basierte vergleichende genomische Hybridisierung (aCGH)

Array-basierte vergleichende genomische Hybridisierung, allgemein als aCGH bezeichnet, ist eine leistungsstarke Technik zur Identifizierung von Kopienzahlvariationen innerhalb eines Genoms. Durch die Co-Hybridisierung von Proben, die mit unterschiedlichen fluoreszierenden Markern auf einem einzigen Mikroarray-Chip gekennzeichnet sind, ermöglicht aCGH die Visualisierung von Deletionen oder Amplifikationen in genomischer DNA, sowohl im Kontext von Tumoren als auch bei erblichen Erkrankungen über gesamte Chromosomengruppen hinweg. Diese Methode nutzt spezialisierte Instrumente und Chips, die eine hohe Auflösung und einen hohen Automatisierungsgrad bieten. Wichtig ist, dass aCGH die umfassende Erkennung von CNVs im gesamten Genom in einem einzigen Experiment ermöglicht.

Ein Vergleich der konzeptionellen Schritte in aCGH- und CNV-seq-Methoden. (Xie et al., 2009)

Einzelne Nukleotid-Polymorphismus-Array (SNP-Array)

Das Einzelne Nukleotid-Polymorphismus-Array, oder SNP-Arrayverwendet einen einzigartigen Ansatz, der sich von aCGH unterscheidet. Anstelle einer Zwei-Hybridisierungsstrategie beinhaltet das SNP-Array ein einzelnes Hybridisierungsereignis zwischen den untersuchten Proben und den Mikroarray-Sonden. Es bestimmt dann die Kopienzahl an jedem genomischen Locus, indem es die Signalintensitäten aus verschiedenen Proben analysiert. Das SNP-Array bietet eine außergewöhnliche Auflösung und ist in der Lage, ein breites Spektrum an Mikrodeletionen und Mikroduplikationen zu erkennen, einschließlich Phänomenen wie uniparentale Disomie (UPD), heterozygote Deletion (LOH) und Chimärismus, zusätzlich zu CNVs.

Sequenzierungsbasierte Methoden

Sequenzierungsbasierte Techniken eine alternative Methode zur CNV-Erkennung, die typischerweise verwendet wird Whole-Genome-SequenzierungÄhnlich wie aCGH beinhalten diese Methoden das Sequenzieren gleicher Mengen DNA aus der interessierenden Probe und einer normalen Kontroll-DNA, die dann mit einer Referenzsequenz verglichen werden. Die Kopienzahl an jedem genomischen Locus wird bestimmt, indem die Lesek counts innerhalb gleitender Fenster zwischen den beiden Proben verglichen werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Erkennung großer Segmente von CNVs über das gesamte Genom hinweg.

Referenzen:

1. Nakatochi, Masahiro, Itaru Kushima und Norio Ozaki. "Implikationen von Keimbahn-Kopienzahlvariationen bei psychiatrischen Störungen: Übersicht über großangelegte genetische Studien." Journal für Humangenetik 66.1 (2021): 25-37.
2. Xie, Chao und Martti T. Tammi. "CNV-seq, eine neue Methode zur Erkennung von Kopienzahlvariationen mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung." BMC Bioinformatik 10 (2009): 1-9.