国家自然基金标书-生殖细胞基因组结构变异的分子基础
23页1、项目名称:生殖细胞基因组结构变异的分子基础首席科学家:金力 复旦大学起止年限:2012.1至2016.8依托部门:上海市科委 教育部一、关键科学问题及研究内容1、拟解决的关键科学问题:在人类生殖细胞的形成过程中(包括生殖干细胞的有丝分裂和生殖细胞的减数分裂),基因组会产生多种变异;其中,基因组结构变异(SV)是人类生殖与发育相关疾病的重要致病因素,也是个体间遗传差异的主要形式之一。本项目成员的前期研究发现,SV可以来源于生殖细胞形成过程中的DNA复制、同源重组、DNA损伤修复、染色体的错误分离等多种途径,在神经发育异常、先天性心脏病、男性不育症等多类生殖与发育相关疾病中有重要致病作用。但是,SV在生殖细胞发生过程中是如何突变产生的?有何特征与规律?其致病机制有哪些?SV对人类群体生殖健康的作用是怎样的?这一系列科学问题仍未解答。因此,本项目拟解决的关键科学问题是:人类生殖细胞基因组SV突变的分子机制及其在个体和群体水平上的生物学效应。2、主要研究内容:针对上述要解决的关键科学问题,我们将主要开展以下四个方面的研究。其中,生殖细胞基因组SV的特征与突变机理研究针对子问题“生殖细胞基因组S
2、V突变的分子机制”,生殖细胞基因组SV的致病机制与群体效应研究针对子问题“生殖细胞基因组SV在个体和群体水平上的生物学效应”。1)生殖细胞基因组结构变异的特征研究生殖细胞基因组稳定性及其遗传变异研究的一个瓶颈是SV突变事件的发现和鉴定。即便基因组SV的突变率高,一个精子和一个卵子结合之前在全基因组范围新产生的SV一般也仅有一个或者数个,不利于研究材料的积累。对SV多发的各类生殖与发育疾病的研究,可以突破上述研究瓶颈。在神经系统发育缺陷(例如,智障)和器官组织的发育缺陷(例如,DMD),新发生的SV是重要的致病因素之一,已知的由致病性SV导致的病例可以占到总病例的20%;并且,随着研究技术分辨率的提高,这一检出率还在不断上升。本项目基于前期工作对致病性SV的研究基础,拟通过全基因组SV分析和定点的定量分析等技术手段相结合,鉴定生殖与发育疾病中的由生殖细胞基因组变异产生的致病性SV,并进行深入的SV特征研究。主要研究:(1) 选择与生殖细胞基因组SV相关的出生缺陷为切入点,包括:智障、DMD等,并同时采集核心家系,用于进行病例与其父母的基因组比较分析;(2) 应用高分辨率的比较基因组杂交芯
3、片、特定SV位点的拷贝数定量分析等技术手段,发现SV变异并通过家系内的比较分析鉴定生殖细胞形成过程中新发生(de novo)的基因组SV;(3) 研究和总结由生殖细胞基因组变异导致的各种致病性SV的结构、基因组上的分布规律、突变热点等特征;(4) 通过对SNP和STR等人类基因组遗传标记在家系内的传递信息,确定SV的亲代来源,探索在精子和卵子的发生过程在基因组SV中的相对贡献。2)生殖细胞基因组结构变异的突变机理生殖细胞基因组的重排过程可以由不同的分子机理介导。已知的可以导致SV的突变机理模型有多种,产生具有不同结构和序列特点的SV。SV的结构特征即简单SV和复杂CNV;SV断点序列特征包括:微同源序列,SINE/LINE,无同源序列等多种形式。本项目将研究人类生殖细胞形成过程中基因组SV的突变机理,探讨DNA损伤后引起的基于DNA重组(例如,NAHR和BIR等)及DNA复制(例如,FoSTeS和MMBIR等)的突变机理模型在基因组SV形成过程中的作用。主要研究:(1) 利用覆盖全基因组的SV分析方法以及定点的高密度SV检测方法研究“研究内容一和内容四”中鉴定得到的SV,解析其精细结构
4、及特征,发掘其它低分辨率技术无法检测到的SV复杂结构;(2) 基于高密度SV分析结果,进行SV断点序列的特异性扩增,利用DNA测序技术将SV断点确定到单个碱基水平,并研究其序列特征;(3) 基于大样本、高通量数据的断点和结构特征分析,检测已知的基于DNA重组与DNA复制的不同突变机理在生殖细胞SV中的贡献,并在积累的大量新数据的基础上,研究和揭示新的SV突变模型;(4) 研究人类基因组重复序列的组成特性对生殖细胞减数分裂过程中非等位同源重组的影响,探索人类基因组的特殊结构与其不稳定性之间的关联;(5) 追溯基因组SV的突变起源(生殖干细胞的有丝分裂或生殖细胞减数分裂阶段),用以指导相关生殖和发育疾病的产前诊断。3)生殖细胞基因组结构变异的致病机制基因组SV与人类疾病密切相关,特别是在出生缺陷中高发。同时,部分在人群中常见的SV对人体生理功能及性状有重要影响。但是SV的致病机制仍未被阐明清楚,相关研究报道较少。已有的SV致病的分子机制模型主要有:基因失活、剂量效应、基因融合、位置效应、二次突变等。这些机制或者假说为我们进行生殖细胞基因组SV发现后的致病机制研究提供了理论指导。主要研究:(
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