新生突变在全基因组上非随机分布的内在原因及规律研究

De novo mutations (DNMs) arise spontaneously in the germline of parents. DNMs are subject to less stringent evolutionary selections, represent the most extreme form of rare variations and thus are generally more deleterious. There’s on average 74 DNMs per individual with about 2 of them on exon regions. DNMs have been widely studied recently because of the advancement of Next Generation Sequencing (NGS) technology and shown to contribute significantly to sporadic cases of various human genetic disorders. However, we are still unclear about genome-wide distribution and occurrence mechanisms of DNMs. DNM events are not random along the human genome and their distribution is shown to be affected by a variety of factors. Interestingly, our previous work has revealed that the sperm DNA methylation could explain variety of DNMs distribution to higher extent than other known factors. In this work, we will make use of DNMs and sperm DNA methylation data from publications as well as ten normal human trios collected by us to further investigate the genome-wide distribution and mechanisms of DNMs. We plan to investigate: (1) relationship between DNMs and sperm or somatic DNA methylation respectively; (2) relationship among DNA methylation and other influential factors for their contribution to DNMs; (3) contribution of DNA methylation to DNMs for different mutation types, genomic regions or function consequences. Notably, analysis of DNMs and DNA methylation in the same family could reduce other confounding factors and deepen our understanding of their relationship.

新生突变主要发生于父母生殖细胞的减数分裂过程且在多种散发性人类遗传疾病中扮演着重要角色。研究表明新生突变在人类基因组上呈现明显的非随机分布，但目前我们对人类新生突变发生机制认识有限。我们的前期工作基于已发表数据发现了新生突变发生和精子DNA甲基化有很强的正相关性，为了进一步研究新生突变的发生机制及分布规律，我们将收集更多已发表的新生突变和DNA甲基化数据，同时测定一批正常人类家系的新生突变和子代外周血细胞以及父亲精子细胞DNA甲基化数据，用于研究：（1）子代新生突变和父亲精子细胞及子代外周血细胞DNA甲基化的关系；（2）父亲精子DNA甲基化和其他新生突变影响因素的相互关系；（3）不同突变类型、不同基因组区域新生突变如何受局部DNA甲基化影响。利用大量不同以及同一家系数据深入的研究新生突变和局部DNA甲基化及其他多种因素的关系，帮助我们理解新生突变在基因组非随机分布的内在机制。

目前，基于核心家系的全基因组测序（WGS）或全外显子测序技术，已经确立了新生突变在散发性疾病尤其是神经精神疾病中的重要作用，并且其已成为发现致病基因的重要来源。尽管神经精神疾病中新生突变研究取得了很大的进步，然而新生突变的发生机制及基因组上的分布规律，神经精神疾病中风险基因的挖掘，神经精神疾病的发病规律等科学问题仍有许多未知。因此，通过本项目我们探索和分析了以下的研究内容：（1）我们从32个中国自闭症（ASD）患者的WGS数据集中全基因组范围内筛选了新生突变和遗传变异。与全基因组的突变率相比，外显子区和3'-UTR区的突变率更高。并从4,832个基因中发现了87个潜在的风险基因，包括CHD8和NRXN2。特别地，我们发现了几个小脑相关基因（ASPM、WDR62和ZNF335）频繁的罕见遗传性突变。结果表明，中心体功能的异常和小头症相关基因的染色质重塑可能与ASD的发病机制有关。（2）通过收集来自4504个患有ASD的核心家系以及3012的健康对照中的新生突变数据，我们发现部分ASD患者身上，存在多个携带极端新生突变的基因（功能缺失和破坏性错义突变）的现象，并提供证据来支持ASD中寡基因模型的存在不是随机的。另外，我们初步鉴定了56个ASD相关的核心基因，并筛选出了23个q<0.1的候选基因。这些发现可以提高我们对ASD病因的认识，并有助于遗传诊断策略的改善。（3）基于已发表的文章中收集的12,965个神经精神疾病核心家系的新生突变数据，我们发现在四种神经精神疾病中存在71个共有的疾病候选基因，与疾病特有的基因相比，这些共有基因的保守性更高，突变更加有害。在疾病共有的基因中，这些基因可以被分为Cluster 1和Cluster 2。Cluster 1与突触传递相关，Cluster 2与转录调控以及组蛋白修饰相关，其中两个核心基因SCN2A和STXBP1可能涉及多种表型谱。总之，以上发现将有助于我们深入了解这些疾病的发病规律。