Выявление новых регуляторных SNP, ассоциированных с предрасположенностью к развитию колоректального рака

Разработан новый подход к поиску регуляторных SNP (rSNP), основанный на анализе ChIP-seq и RNA-seq данных проекта ENCODE. Подход успешно применен для выявления rSNP, связанных с колоректальным раком. В качестве исходных данных были взяты результаты 15 независимых ChIP-Seq экспериментов, выполненных на клеточной линии колоректального рака HCT-116, что позволило сформировать пул из 7985 SNP, расположенных в регуляторных районах генов. Для дальнейшего отбора регуляторных SNP из этого пула использована выявляемая в экспериментах ChIP-seq аллель-специфичность распределения гистоновых меток и негистоновых белков хроматина в местах локализации гетерозиготных SNP. Это позволило выявить 775 SNP, которые потенциально могут влиять на уровень экспрессии генов в клетках HCT-116. В дальнейшем была проведена оценка асимметричности экспрессии аллелей на основании данных RNA-seq, полученных на той же клеточной линии. В результате была подтверждена функциональность 231 SNP, которые были классифицированы как rSNP. Для отбора из них тех, что могут иметь отношение к развитию колоректального рака, были взяты rSNP, находящиеся в одной группе сцепления (±10 т. п. н.) с SNP, ассоциированными с этим заболеванием, по данным GWAS и ClinVar. Функциональная аннотация генов, содержащих выбранные таким образом SNP, подтвердила полученные ранее данные о роли генов BAIAP2L1 и BUB3 в формировании предрасположенности к раку толстого кишечника. Также были обнаружены новые гены-кандидаты колоректального рака, RRAGD и FZD6, белковые продукты которых являются компонентами RAS/MAРK- и WNT-сигнальных путей, сопряженных с развитием данной патологии. Кроме того, выявлено 14 новых потенциальных генов-кандидатов колоректального рака, перспективных для дальнейшего изучения.

1. Al-Tassan N., Chmiel N.H., Maynard J., Fleming N., Livingston A.L., Williams G.T., … Cheadle J.P. Inherited variants of MYH associated with somatic G:C→T:A mutations in colorectal tumors. Nat. Genet. 2002;30(2):227-232. http://doi.org/10.1038/ng828.

2. Babu S.G., Ponia S.S., Kumar D., Saxena S. Cellular oncomiR orthologue in EBV oncogenesis. Comput. Biol. Med. 2011;41(10):891-898. http://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2011.07.007.

3. Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 2014;30(15):2114-2120. http://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu170.

4. Bryzgalov L.O., Antontseva E.V., Matveeva M.Y., Shilov A.G., Kashina E.V., Mordvinov V.A., Merkulova T.I. Detection of regulatory SNPs in human genome using ChIP-seq ENCODE data. PloS ONE. 2013;8(10):e78833. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0078833.

5. Castells A., Castellví-Bel S., Balaguer F. Concepts in familial colorectal cancer: where do we stand and what is the future? Gastroenterology. 2009;137(2):404-409. http://doi.org/10.1053/j.gastro.2009.06.015.

6. Chung C.C., Chanock S.J. Current status of genome-wide association studies in cancer. Hum. Genet. 2011;130(1):59-78. http://doi.org/10.1007/s00439-011-1030-9.

7. Cohen M.M. Molecular dimensions of gastrointestinal tumors: Some thoughts for digestion. Am. J. Med. Gen. 2003;122A(4):303-314. http://doi.org/10.1002/ajmg.a.20473.

8. De Voer R.M., Geurts van Kessel A., Weren R.D.A., Ligtenberg M.J.L., Smeets D., Fu L., … Kuiper R.P. Germline mutations in the spindle assembly checkpoint genes BUB1 and BUB3 are risk factors for colorectal cancer. Gastroenterology. 2013;145(3):544-547. http://doi.org/10.1053/j.gastro.2013.06.001.

9. DeRycke M.S., Gunawardena S.R., Middha S., Asmann Y.W., Schaid D.J., McDonnell S.K., … Goode E.L. Identification of novel variants in colorectal cancer families by high-throughput exome sequencing. Cancer Epidemiology, Biomarkers & Prevention: A Publication of the American Association for Cancer Research, Cosponsored by the American Society of Preventive Oncology. 2013; 22(7):1239-1251. http://doi.org/10.1158/1055-9965.EPI-12- 1226.

10. Edwards S.L., Beesley J., French J.D., Dunning A.M. Beyond GWASs: Illuminating the dark road from association to function. Am. J. Hum. Genet. 2013;93(5):779-797. http://doi.org/10.1016/j.ajhg.2013.10.012.

11. Ernst J., Kheradpour P., Mikkelsen T.S., Shoresh N., Ward L.D., Epstein C.B., … Bernstein B.E. Mapping and analysis of chromatin state dynamics in nine human cell types. Nature. 2011;473(7345):43-49. http://doi.org/10.1038/nature09906.

12. Esteban-Jurado C. New genes emerging for colorectal cancer predisposition. World J. Gastroenterol. 2014;20(8):1961. http://doi.org/10.3748/wjg.v20.i8.1961.

13. Fearon E.R. Molecular genetics of colorectal cancer. Ann. Rev. Pathol.: Mech. 2011;6(1):479- 507. http://doi.org/10.1146/annurevpathol-011110-130235.

14. Ferlay J., Soerjomataram I., Dikshit R., Eser S., Mathers C., Rebelo M., … Bray F. Cancer incidence and mortality worldwide: Sources, methods and major patterns in GLOBOCAN 2012. Int. J. Cancer. 2015;136(5):E359-E386. http://doi.org/10.1002/ijc.29210.

15. Gylfe A.E., Katainen R., Kondelin J., Tanskanen T., Cajuso T., Hänninen U., … Aaltonen L.A. Eleven candidate susceptibility genes for common familial colorectal cancer. PLoS Gen. 2013;9(10):e1003876. http://doi.org/10.1371/journal.pgen.1003876.

16. Han J., Kim Y.-L., Lee K.-W., Her N.-G., Ha T.-K., Yoon S., … Chi S.- G. ZNF313 is a novel cell cycle activator with an E3 ligase activity inhibiting cellular senescence by destabilizing p21(WAF1.). Cell Death Differ. 2013;20(8):1055-1067. http://doi.org/10.1038/cdd.2013.33.

17. Jasperson K.W. Hereditary colorectal cancer: More common than you think. Curr. Prob. Cancer. 2014;38(6):249-261. http://doi.org/10.1016/j.currproblcancer.2014.10.005.

18. Jasperson K.W., Tuohy T.M., Neklason D.W., Burt R.W. Hereditary and familial colon cancer. Gastroenterology. 2010;138(6):2044-2058. http://doi.org/10.1053/j.gastro.2010.01.054.

19. Kanojia D., Morshed R.A., Zhang L., Miska J.M., Qiao J., Kim J.W., … Ahmed A.U. βIII-tubulin regulates breast cancer metastases to the brain. Mol. Cancer Ther. 2015;14(5):1152-1161. http://doi.org/10.1158/1535-7163.MCT-14-0950.

20. Kasowski M., Grubert F., Heffelfinger C., Hariharan M., Asabere A., Waszak S.M., … Snyder M. Variation in transcription factor binding among humans. Science. 2010;328(5975):232- 235. http://doi.org/10.1126/science.1183621.

21. Kaz A.M., Brentnall T.A. Genetic testing for colon cancer. Nat. Clin. Pract. Gastroenterol. Hepatol. 2006;3(12):670-679. http://doi.org/10.1038/ncpgasthep0663.

22. Kohnz R.A., Mulvihill M.M., Chang J.W., Hsu K.-L., Sorrentino A., Cravatt B.F., … Nomura D.K. Activity-based protein profiling of oncogene- driven changes in metabolism reveals broad dysregulation of PAFAH1B2 and 1B3 in cancer. ACS Chem. Biol. 2015;10(7):1624-1630. http://doi.org/10.1021/acschembio.5b00053.

23. Laitinen V.H., Rantapero T., Fischer D., Vuorinen E.M., Tammela T.L.J., PRACTICAL Consortium, … Schleutker J. Fine-mapping the 2q37 and 17q11.2-q22 loci for novel genes and sequence variants associated with a genetic predisposition to prostate cancer. Int. J. Cancer. 2015;136(10):2316-2327. http://doi.org/10.1002/ijc.29276.

24. Langmead B., Salzberg S.L. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nat. Methods. 2012;9(4):357-359. http://doi.org/10.1038/nmeth.1923.

25. Lappalainen T. Functional genomics bridges the gap between quantitative genetics and molecular biology. Genome Res. 2015;25(10): 1427-1431. http://doi.org/10.1101/gr.190983.115.

26. Li H., Handsaker B., Wysoker A., Fennell T., Ruan J., Homer N., Marth G., Abecasis G., Durbin R. and 1000 Genome Project Data Processing Subgroup. The Sequence Alignment/Map format and SAMtools. Bioinformatics (Oxford, England). 2009;25(16):2078-2079. http://doi.org/10.1093/bioinformatics/btp352.

27. Li Q., Yokoshi M., Okada H., Kawahara Y. The cleavage pattern of TDP-43 determines its rate of clearance and cytotoxicity. Nat. Commun. 2015;6:6183. http://doi.org/10.1038/ncomms7183.

28. Madan E., Gogna R., Kuppusamy P., Bhatt M., Mahdi A.A., Pati U. SCO2 induces p53- mediated apoptosis by Thr845 phosphorylation of ASK-1 and dissociation of the ASK-1-Trx complex. Mol. Cell. Biol. 2013;33(7):1285-1302. http://doi.org/10.1128/MCB.06798-11.

29. Manolio T.A., Collins F.S., Cox N.J., Goldstein D.B., Hindorff L.A., Hunter D.J., … Visscher P.M. Finding the missing heritability of complex diseases. Nature. 2009; 461(7265):747-753. http://doi.org/10.1038/nature08494.

30. Maurano M.T., Humbert R., Rynes E., Thurman R.E., Haugen E., Wang H., … Stamatoyannopoulos J.A. Systematic localization of common disease-associated variation in regulatory DNA. Science. 2012;337(6099):1190-1195. http://doi.org/10.1126/science. 1222794.

31. Ng S.B., Buckingham K.J., Lee C., Bigham A.W., Tabor H.K., Dent K.M., … Bamshad M.J. Exome sequencing identifies the cause of a mendelian disorder. Nat. Genet. 2010;42(1):30- 35. http://doi.org/10.1038/ng.499.

32. Ni Y., Weber Hall A., Battenhouse A., Iyer V.R. Simultaneous SNP identification and assessment of allele-specific bias from ChIP-seq data. BMC Gen. 2012;13(1):46. http://doi.org/10.1186/1471-2156-13-46.

33. Pan Z., Chen S., Pan X., Wang Z., Han H., Zheng W., … Shao R. Differential gene expression identified in Uigur women cervical squamous cell carcinoma by suppression subtractive hybridization. Neoplasma. 2010;57(2):123-128. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20099975.

34. Reddy T.E., Gertz J., Pauli F., Kucera K.S., Varley K.E., Newberry K.M., … Myers R.M. Effects of sequence variation on differential allelic transcription factor occupancy and gene expression. Genome Res. 2012;22(5):860-869. http://doi.org/10.1101/gr.131201.111.

35. Rozowsky J., Abyzov A., Wang J., Alves P., Raha D., Harmanci A., … Ger-stein M. AlleleSeq: analysis of allele-specific expression and binding in a network framework. Mol. Syst. Biol. 2014;7(1):522-522. http://doi.org/10.1038/msb.2011.54.

36. Sahu A.D., Aniba R., Chang Y.-P.C., Hannenhalli S. Epigenomic model of cardiac enhancers with application to genome wide association studies. Pacific Symposium on Biocomputing. 2013;22(5):92-102. http://doi.org/23424115.

37. Solban N., Jia H.P., Richard S., Tremblay S., Devlin A.M., Peng J., … Tremblay J. HCaRG, a novel calcium-regulated gene coding for a nuclear protein, is potentially involved in the regulation of cell proliferation. J. Biol. Chem. 2000;275(41):32234-32243. http://doi.org/10.1074/jbc.M001352200.

38. Sun S., Lee D., Ho A.S.W., Pu J.K.S., Zhang X.Q., Lee N.P., … Leung G.K.K. Inhibition of prolyl 4-hydroxylase, beta polypeptide (P4HB) attenuates temozolomide resistance in malignant glioma via the endoplasmic reticulum stress response (ERSR) pathways. Neuro-Oncology. 2013;15(5):562-577. http://doi.org/10.1093/neuonc/not005.

39. Tagliabue E., Fargnoli M.C., Gandini S., Maisonneuve P., Liu F., Kayser M., … M-SKIP study group. MC1R gene variants and nonmelanoma skin cancer: a pooled-analysis from the M- SKIP project. British J. Cancer. 2015;113(2):354-363. http://doi.org/10.1038/bjc. 2015.231.

40. Taylor D.P., Burt R.W., Williams M.S., Haug P.J., Cannon-Albright L.A. Population-based family history-specific risks for colorectal cancer: a constellation approach. Gastroenterology. 2010;138(3):877-885. http://doi.org/10.1053/j.gastro.2009.11.044.

41. The Cancer Genome Atlas Network. 2013. http://cancergenome.nih.gov. Trynka G., Westra H.-J., Slowikowski K., Hu X., Xu H., Stranger B.E., … Raychaudhuri S. Disentangling the effects of colocalizing genomic annotations to functionally prioritize non-coding variants within complex-trait loci. Am. J. Hum. Genet. 2015;97(1):139-152. http://doi.org/10.1016/j.ajhg.2015.05.016.

42. Wang Y.-P., Huang L.-Y., Sun W.-M., Zhang Z.-Z., Fang J.-Z., Wei B.- F., … Han Z.-G. Insulin receptor tyrosine kinase substrate activates EGFR/ERK signalling pathway and promotes cell proliferation of hepatocellular carcinoma. Cancer Lett. 2013;337(1):96-106. http://doi.org/10.1016/j.canlet.2013.05.019.

43. Welter D., MacArthur J., Morales J., Burdett T., Hall P., Junkins H., … Parkinson H. The NHGRI GWAS catalog, a curated resource of SNP-trait associations. Nucl. Acids Res. 2014;42(D1): D1001-D1006. http://doi.org/10.1093/nar/gkt1229.

44. Weren R.D.A., Ligtenberg M.J.L., Kets C.M., de Voer R.M., Verwiel E.T.P., Spruijt L., … Hoogerbrugge N. A germline homozygous mutation in the base-excision repair gene NTHL1 causes adenomatous polyposis and colorectal cancer. Nat. Genet. 2015;47(6):668- 671. http://doi.org/10.1038/ng.3287.

45. Wong J.C.Y., Gokgoz N., Alon N., Andrulis I.L., Buchwald M. Cloning and mutation analysis of ZFP276 as a candidate tumor suppressor in breast cancer. J. Hum. Genet. 2003;48(12):668- 671. http://doi.org/10.1007/s10038-003-0088-1.

46. Yang C.-Y., Lu R.-H., Lin C.-H., Jen C.-H., Tung C.-Y., Yang S.-H., …Lin C.-H. Single nucleotide polymorphisms associated with colorectal cancer susceptibility and loss of heterozygosity in a Taiwanese population. PloS ONE. 2014;9(6):e100060. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0100060.

47. Yu J.-H., Zhong X.-Y., Zhang W.-G., Wang Z.-D., Dong Q., Tai S., … Cui Y.-F. CDK10 functions as a tumor suppressor gene and regulates survivability of biliary tract cancer cells. Oncol. Rep. 2012;27(4): 1266-1276. http://doi.org/10.3892/or.2011.1617.

48. Zhang Z., Jia Q., Zhou C., Xie W. Crystal structure of E. coli endonuclease V, an essential enzyme for deamination repair. Sci. Rep. 2015;5:12754. http://doi.org/10.1038/srep12754.

49. Zhao Y., Clark W.T., Mort M., Cooper D.N., Radivojac P., Mooney S.D. Prediction of functional regulatory SNPs in monogenic and complex disease. Hum. Mutat. 2011;32(10):1183-1190. http://doi.org/10.1002/humu.21559.