结构变异（包括大片段插入、缺失、倒位、重复等）是基因组变异的重要来源，在癌症等疾病中已被广泛研究。然而，结构变异在健康组织中的存在、细胞类型特异性分布以及功能后果长期以来知之甚少。这主要是因为检测结构变异，尤其是在单细胞水平上检测结构变异，并同时评估其功能影响，在技术上具有挑战性。

2024年6月5日，《自然-遗传学》发表了一项研究简报，介绍Grimes, K.团队的开创性工作。该研究利用先进的单细胞测序技术，探索了健康人中不同造血干细胞和祖细胞中嵌合体结构变异的细胞类型特异性功能后果和克隆扩增。研究通过单细胞多组学方法（结合了Strand-seq和单细胞核小体占位分析），揭示了结构变异在正常造血过程中的功能影响，为未来研究体细胞结构变异在衰老和疾病中的作用铺平了道路。

核心发现：单细胞水平解析结构变异的功能

该研究的核心突破在于，它突破了传统批量测序的局限，在单个细胞分辨率上同时检测结构变异及其功能影响。

1. 技术方法：Strand-seq + scNOVA

研究者采用了两种互补的单细胞技术：

• Strand-seq：一种基于DNA模板链的单细胞测序方法，能够以高分辨率检测单细胞中的结构变异（包括倒位、缺失、易位等），并确定其单倍型背景。该方法通过区分亲本来源的DNA链，能明确识别结构变异的断点。

• scNOVA（Single-Cell Nucleosome Occupancy and Variant Analysis）：一种计算框架，可从Strand-seq数据中同时推断核小体占位。由于核小体占位影响转录因子的可及性和基因表达，scNOVA允许将结构变异的存在与局部染色质状态的变化直接关联。

2. 健康造血系统中的嵌合体结构变异

分析健康供体的造血干细胞和祖细胞后，研究发现：

• 普遍存在：嵌合体结构变异在健康人群中比之前预期的更为常见。即使在无血液疾病史的个体中，也检测到多种结构变异。

• 克隆扩增：某些携带结构变异的造血干细胞/祖细胞克隆会发生扩增，导致该变异在特定细胞亚群中的频率高于其他亚群。这种克隆扩增可能是年龄相关的正常现象。

• 细胞类型特异性：同一种结构变异可能只在特定的造血干细胞/祖细胞亚群（如巨核细胞-红系祖细胞）中富集，而在其他亚群（如淋巴祖细胞）中缺失。这表明结构变异的影响可能是细胞上下文依赖的。

3. 功能后果：核小体占位的改变

通过scNOVA分析，研究将特定结构变异的存在与局部核小体占位的变化联系起来。例如：

• 缺失：可能导致缺失区域及其侧翼区域的核小体定位改变，从而影响增强子-启动子互作。

• 倒位：可能改变拓扑关联结构域的边界，导致原本属于不同调控单元的基因被混在一起。

• 意义：即使在未直接测量基因表达的情况下，核小体占位的改变也是染色质状态改变和潜在转录失调的直接证据。

4. 与年龄和疾病的可能联系

尽管研究对象是健康个体，但研究发现某些在健康造血干细胞/祖细胞中出现的嵌合体结构变异，与在骨髓增生异常综合征或急性髓系白血病患者中观察到的结构变异有重叠。这提示，一些结构变异可能作为“前白血病”事件存在，但只有在累积额外突变或微环境改变后才会导致恶性转化。

意义与展望

该研究对理解正常生理和疾病发生具有多方面重要意义：

• 正常造血中的克隆异质性：该研究进一步确认了“正常”组织并非完全由“正常”细胞组成，而是由携带不同体细胞突变的克隆拼凑而成的嵌合体。这对于理解衰老过程中克隆造血现象至关重要。

• 结构变异的致病机制新视角：结构变异不仅可通过破坏单个基因编码区来致病（如基因融合），还可通过改变染色质高级结构和调控元件拓扑来远程影响多个基因。本研究提供的核小体占位数据为此提供了机制性证据。

• 疾病早期检测的生物标志物：如果在健康组织中检测到的某些结构变异被证实是癌症或克隆性造血的前兆，它们可作为风险分层的生物标志物，用于识别需要密切监测的个体。

• 未来方向：包括纵向研究（追踪携带结构变异的克隆在数年内的演变），扩展到其他组织（如上皮组织、脑组织，其中结构变异的累积可能有不同动力学），整合单细胞转录组（直接测量结构变异对基因表达的影响），以及功能性验证（在细胞模型中引入或修复结构变异，以确认其因果关系）。

参考文献

1. Grimes, K. et al. (2024). Cell-type-specific consequences of mosaic structural variants in hematopoietic stem and progenitor cells. Nature Genetics. https://doi.org/10.1038/s41588-024-01754-2

2. Forsberg, L. A., Gisselsson, D. & Dumanski, J. P. (2017). Mosaicism in health and disease — clones picking up speed. Nat. Rev. Genet.

3. Falconer, E. et al. (2012). DNA template strand sequencing of single-cells maps genomic rearrangements at high resolution. Nat. Methods.

4. Jeong, H. et al. (2023). Functional analysis of structural variants in single cells using Strand-seq. Nat. Biotechnol.

5. Sanders, A. D. et al. (2020). Single-cell analysis of structural variations and complex rearrangements with tri-channel processing. Nat. Biotechnol.

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