Integrative analysis of the functional consequences of inversions in the human genome

Abstract

La variación estructural contribuye de forma substancial a la diversidad genética, pero su asociación con rasgos complejos y enfermedades no se entiende del todo y merece una caracterización detallada. Esto es especialmente cierto para las inversiones, cuyas consecuencias funcionales han permanecido ocultas, con algunas pocas excepciones. A pesar del creciente interés en caracterizar todo tipo de variantes genómicas, las inversiones se han dejado a menudo de lado debido a la presencia de regiones repetitivas en sus puntos de rotura sumado a su naturaleza balanceada. El proyecto InvFEST ha tratado de superar este desafío técnico mediante el desarrollo de nuevos métodos para genotipar inversiones. Gracias a este esfuerzo, un total de 111 inversiones comunes en humanos han sido genotipadas con precisión en un gran número de individuos de diversas poblaciones, convirtiéndose en el recurso más completo y fiable de este tipo de variación disponible hasta la fecha. En la era actual de la medicina de precisión, el análisis de loci de carácteres cuantitativos (QTL) ha surgido como un enfoque clave para determinar cómo los polimorfismos genéticos influyen en la expresión génica y, a su vez, en los rasgos fenotípicos. Por lo tanto, esta tesis aprovecha al máximo los datos generados para realizar por primera vez una cuantificación sistemática del impacto funcional de las inversiones polimórficas humanas. Los resultados muestran que las inversiones pueden afectar la expresión génica ya sea manteniendo haplotipos diferenciados, alterando o reoganizando la estructura de los genes, creando nuevos transcritos de fusión, o actuando a través de cambios en los patrones epigenéticos. Sorprendentemente, la mitad de las inversiones analizadas actúan como QTL principales o están en un desequilibrio de ligamiento (LD) con QTL centinelas para la expresión génica y los cambios epigenéticos en diferentes tejidos y líneas celulares, lo que sugiere que las inversiones están enriquecidas en efectos funcionales. En particular, esta influencia sobre fenotipos moleculares es aún más acusada para las inversiones largas (>100 kb), ya que están involucradas en el 80% de los QTL identificados. Aunque se sabe que las variantes estructurales tienen una mayor probabilidad de estar asociadas con niveles de expresión y rasgos complejos, los efectos detectados para las inversiones podrían reflejar un compromiso entre cambios de expresión beneficiosos y el posible impacto negativo sobre la fertilidad debido a la producción de gametos desequilibrados por recombinación. Además, las regiones de las inversiones presentan un enriquecimiento de señales de estudios de asociación a nivel de todo el genoma, y 14 de ellas están en alto LD con variantes asociadas a diferentes caracteres, lo que apoya su posible implicación en fenotipos humanos. Finalmente, se han investigado en detalle dos inversiones interesantes. HsInv0102 invierte un exón alternativo no codificante del gen RHOH. Curiosamente, esta inversión también está asociada con los niveles de la proteína RhoH y se ha estimado que el alelo invertido actúa como un locus protector con efectos moderados sobre la susceptibilidad al cáncer sanguíneo. Por otra parte, HsInv0124 regula la expresión de varios genes en la región IFITM, como IFITM2 e IFITM3, a través de cambios en los patrones de modificación de histonas. Además, bajo condiciones de infección, esta inversión tiene un efecto más generalizado sobre la expresión de genes relacionados con la respuesta inmune, lo que indica que puede desempeñar un papel importante en la defensa contra las infecciones víricas. En su conjunto, estos hallazgos ilustran el posible impacto funcional de las inversiones en el genoma humano y ayudan a desentrañar la relación que existe entre estas variantes y la variabilidad fenotípica.

Structural variation contributes substantially to the genetic diversity, but its association with complex traits and diseases is not well understood and deserves detailed characterisation. This is particularly true for chromosomal inversions, whose functional consequences have remained elusive in humans, with very few notable exceptions. Despite the rising interest in identifying all types of genomic variants, inversions have been often set aside due to the presence of repetitive regions in their breakpoints along with their balanced nature. The InvFEST Project has tried to overcome this technical challenge by developing unique methods for inversion genotyping. Thanks to this effort, a total of 111 polymorphic human inversions have been accurately genotyped in a large number of individuals from diverse populations, becoming the most complete and reliable resource of this type of variation available to date. In the current era of precision medicine, quantitative trait loci (QTL) analysis has emerged as a key approach to determine how genetic polymorphisms influence gene expression and, in turn, phenotypic traits. Thus, this thesis makes the most of the great amount of data generated to perform for the first time a systematic quantification of the functional impact of human polymorphic inversions. The results show that inversions can affect gene expression by maintaining differentiated haplotypes, disrupting or reorganizing gene structures, creating novel fusion transcripts or acting through changes in epigenetic patterns. Strikingly, half of the inversions analysed act as lead QTLs or are in high linkage disequilibrium (LD) with top QTLs for gene expression and epigenetic changes across different tissues and cell lines, which suggests that inversions are enriched for functional effects. In particular, this influence on molecular phenotypes is even stronger for long inversions (>100kb), which are involved in 80% of the QTL associations. Although structural variants are known to have a higher chance to be associated with expression levels and complex traits, the detected inversion effects may reflect a trade-off between beneficial expression changes and potential negative costs on fertility due to production of unbalanced gametes by recombination. Furthermore, inversions present an enrichment of genome-wide association studies (GWAS) signals in their surrounding area, and 14 of them are in high LD with trait-associated variants, supporting their potential implication in human phenotypes. Finally, the phenotypic consequences of two interesting inversions have been investigated in detail. HsInv0102 inverts an alternative non-coding exon from the RHOH gene. Interestingly, this inversion is also associated with RhoH protein levels and the inverted allele could act as a moderate protective locus on blood cancer susceptibility. On the other hand, HsInv0124 regulates the expression of several genes in the IFITM region, including IFITM2 and IFITM3, through changes in histone modification patterns. Moreover, under infection conditions, this inversion has a pervasive effect on the expression of genes related with immune response, indicating that it may play an important role in defense against viral infections. All together, these findings illustrate the potential functional impact of inversions on the human genome and help to uncover previously missing variants related to phenotype variability.