| Data: |
2026 |
| Resum: |
Les variants estructurals (SVs) constitueixen una de les fonts més rellevants de diversitat genètica. Tanmateix, el seu estudi ha quedat endarrerit a causa de limitacions tècniques. Les inversions són especialment difícils d'estudiar degut a la seva naturalesa balancejada i la presència freqüent de repeticions invertides (IRs) als punts de trencament. En els últims anys, els avenços tecnològics han permès superar moltes d'aquestes limitacions, ampliant de forma considerable el catàleg d'inversions i altres SVs en humans. Malgrat tot, la majoria d'estudis han analitzat un nombre reduït d'individus, fet que limita l'avaluació integral dels efectes funcionals d'aquestes variants. Per abordar aquest problema, en aquesta tesi s'han combinat inversions candidates procedents de diversos estudis basats en diferents metodologies genòmiques de nova generació, generant així el catàleg més exhaustiu d'inversions a dia d'avui. A més, amb l'objectiu d'aconseguir un genotipat precís d'aquestes inversions, s'ha desenvolupat GeONTIpe, una eina que utilitza dades de seqüències llargues d'Oxford Nanopore Technologies (ONT) per a detectar l'orientació de les inversions mitjançant la identificació de lectures que travessen els punts de trencament amb sondes localitzades dins i fora de les regions invertides. Amb aquest enfoc, hem analitzat 1. 235 variants, incloent algunes flanquejades per IRs de fins a 190 kb de longitud, en 1. 409 mostres, identificant 680 inversions polimòrfiques amb les dues orientacions, de les quals 191 van presentar una freqüència de l'al·lel minoritari (MAF) global superior a l'1%. Així mateix, 740 regions contenien SVs addicionals en almenys una mostra, de les quals 362 presentaven variants en almenys un 1% de les mostres, fet que posa de manifest la complexitat present en les regions repetitives. Per a avaluar la fiabilitat d'aquests genotips, es van dur a terme diversos controls, incloent consistència mendeliana, comparació amb genotips experimentals, anàlisi de desequilibri de lligament (LD) amb SNPs propers i equilibri de Hardy-Weinberg (HWE), idenficant diverses variants que requereixen una validació més profunda. Una possible explicació per alguns dels genotips problemàtics consistent amb les SVs addicionals trobades, es la presència d'haplotips amb diferents conformacions estructurals. GeONTIpe però, presenta una capacitat limitada per a caracteritzar correctament aquestes regions. De fet, un anàlisi manual exhaustiu va revelar múltiples haplotips diferents en diverses regions, incloent 19 haplotips al locus HsInv0786, que té una gran importància funcional. Per ampliar aquest anàlisi, hem desenvolupat CHARONTE, que es basa en la identificació de k-mers únics en lectures llargues d'ONT, explotant la seva posició, orientació i distància per reconstruir haplotips estructurals individuals de múltiples mostres en regions complexes del genoma, permetent l'anàlisi a nivell poblacional de la freqüència i la distribució dels haplotips. L'aplicació d'aquesta nova metodologia per caracteritzar tres regions en un conjunt de 213-455 mostres va identificar 18 haplotips estructurals per a la regió HsInv0401, 8 per a HsInv0390 i 5 per a HsInv0231, alguns dels quals no havien estat descrits prèviament. Aquests haplotips estructurals contenien delecions, insercions, inversions i duplicacions invertides, incloent un esdeveniment de recurrència per a la inversió HsInv0231. Els haplotips detectats van mostrar també una àmplia concordança amb estudis previs, suggerint que CHARONTE es una eina valuosa per a la caracterització detallada de regions genòmiques complexes. Per tant, l'anàlisi mitjançant lectures llargues ofereix un potencial substancial per a resoldre i genotipar múltiples regions genòmiques en un elevat nombre d'individus, facilitant una comprensió més profunda de la diversitat de les SVs en el genoma humà i les seves conseqüències funcionals. |
| Resum: |
Las variantes estructurales (SVs) constituyen una de las fuentes más relevantes de diversidad genética, aunque su estudio ha quedado históricamente rezagado a causa de limitaciones técnicas. Las inversiones son especialmente difíciles de estudiar debido a su naturaleza balanceada y a la frecuente presencia de repeticiones invertidas (IRs) en sus puntos de rotura. En los últimos años, los avances tecnológicos han hecho posible superar muchas de estas limitaciones, ampliando de forma considerable el catálogo de inversiones y otras SVs en humanos. No obstante, la mayoría de los estudios han analizado sólo un pequeño número de individuos, lo que limita la investigación integral de los efectos funcionales de estas variantes. Para solucionar este problema, en esta tesis se han combinado inversiones candidatas procedentes de varios estudios basados en diversas metodologías genómicas de nueva generación, generando así el catálogo más exhaustivo de inversiones hasta la fecha. Además, con el fin de conseguir un genotipado preciso de estas inversiones, se ha desarrollado GeONTIpe, una herramienta que utiliza datos de secuencias largas de Oxford Nanopore Technologies (ONT) para detectar la orientación de las inversiones mediante la identificación de lecturas que cruzan los puntos de rotura con sondas situadas dentro y fuera de las regiones invertidas. Usando esta estrategia, hemos analizado 1. 235 variantes, incluyendo algunas flanqueadas por IRs de hasta 190 kb de longitud, en 1. 409 muestras, identificando 680 inversiones polimórficas con ambas orientaciones, de las cuales 191 presentaron una frecuencia del alelo menor (MAF) global superior al 1%. Asimismo, 740 regiones contenían SVs adicionales en al menos una muestra, de las cuales 362 presentaban variantes en más del 1% de las muestras, lo que pone de manifiesto la complejidad presente en las regiones repetitivas. Para evaluar la fiabilidad de estos genotipos, se llevaron a cabo varios controles, incluyendo consistencia mendeliana, comparaciones con genotipos experimentales, análisis de desequilibrio de ligamiento (LD) con SNPs cercanos y equilibrio de Hardy-Weinberg (HWE), identificando varias candidatas que requieren una validación más profunda. Una posible explicación para algunos de los genotipos problemáticos es la presencia de haplotipos con diferentes configuraciones estructurales, lo que es consistente con las SVs adicionales encontradas. Sin embargo, GeONTIpe tiene una capacidad limitada para caracterizar correctamente esas regiones. De hecho, el análisis manual exhaustivo reveló numerosos haplotipos diferentes en varias regiones, incluyendo 19 haplotipos en el locus HsInv0786, que tiene una gran importancia funcional. Para ampliar este análisis, hemos desarrollado CHARONTE, que se basa en el mapeo de k-meros únicos en lecturas largas de ONT, explotando su posición, orientación y distancia para reconstruir haplotipos estructurales individuales de múltiples muestras en regiones complejas del genoma, permitiendo el análisis a nivel poblacional de la frecuencia y la distribución de los haplotipos. La aplicación de esta nueva metodología para caracterizar tres regiones en un conjunto de 213-455 muestras identificó 18 haplotipos estructurales para la región HsInv0401, 8 para HsInv0390 y 5 para HsInv0231, algunos de los cuales no se habían descrito previamente. Estos haplotipos estructurales contienen deleciones, inserciones, inversiones y duplicaciones invertidas, incluyendo un evento de recurrencia para la inversión HsInv0231. Los haplotipos detectados mostraron también una amplia concordancia con estudios previos, lo que sugiere que CHARONTE es una herramienta valiosa para la caracterización detallada de regiones genómicas complejas. Por tanto, el análisis mediante lecturas largas ofrece un gran potencial sustancial para para resolver y genotipar múltiples regiones genómicas en un elevado número de individuos, facilitando una comprensión más profunda de la diversidad de SVs en el genoma humano y sus consecuencias funcionales. |
| Resum: |
Structural variants (SVs) constitute one of the most significant sources of genetic diversity, although their study has historically lagged behind due to technical limitations. Inversions are particularly challenging due to their balanced nature and the frequent presence of inverted repeats (IRs) at their breakpoints. Recent technological advances have made it possible to overcome many of these limitations, expanding considerably the catalogue of inversions and other SVs in humans. Nevertheless, most studies have only analysed a small number of individuals, which limits the comprehensive evaluation of the functional effects of these variants. To address this gap, we merged inversion candidates from multiple studies employing diverse new genomic technologies, thus generating the most exhaustive inversion catalogue to date. In addition, to enable accurate genotyping of these inversions, we developed GeONTIpe, a tool that uses Oxford Nanopore Technologies (ONT) long-read data to detect inversion orientation by identifying reads spanning inversion breakpoints with probe sequences located inside and outside the inverted regions. Using this approach, we analyzed 1,235 variants, including some flanked by IRs up to 190 kb in length, in 1,409 samples, and identified 680 polymorphic inversions showing both orientations, 191 of which exhibited a global minor allele frequency (MAF) larger than 1%. Moreover, 740 regions contained additional SVs in at least one sample, with 362 of them exhibiting variants in more than 1% of samples, highlighting the complexity present in repetitive regions. Several quality controls were performed to assess the reliability of the inversion genotypes, including Mendelian consistency, comparisons with experimental genotypes, linkage disequilibrium (LD) analysis with surrounding SNPs, and Hardy-Weinberg equilibrium, identifying candidate variants that require further validation. One possible explanation for some of the problematic genotypes is the presence of haplotypes with different structural configurations, consistent with the multiple SVs found in some regions. However, GeONTIpe has a limited ability to correctly characterise those regions. In fact, in depth manual analyses revealed numerous haplotypes in several regions, including 19 haplotypes within the functionally relevant HsInv0786 locus. To scale up this analysis, we developed CHARONTE, which is based on the mapping of unique k-mers to ONT long reads, and exploits their position, orientation, and spacing to reconstruct individual structural haplotypes of multiple samples in complex regions of the genome, allowing population-level analyses of haplotype frequency and distribution. The application of this new methodology to characterise three complex regions in a set of 213-455 samples identified 18 structural haplotypes for the HsInv0401 region, 8 for HsInv0390, and 5 for HsInv0231, some of which were not previously described. These structural haplotypes harbour deletions, insertions, inversions, and inverted duplications, including a recurrence event for the HsInv0231 inversion. Also, these haplotypes were largely in agreement with previous studies, suggesting that CHARONTE is a valuable resource for the detailed characterisation of complex genomic regions. Therefore, long-read sequencing analysis offers a great potential for resolving and genotyping multiple genomic regions in large numbers of individuals, facilitating a deeper understanding of the diversity of SVs in the human genome and their functional consequences. |
| Nota: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Genètica |
| Drets: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Llengua: |
Anglès |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Matèria: |
Genoma humà ;
Human genome ;
Genoma humano ;
Inversions cromosòmiques ;
Chromosomic inversions ;
Inversiones cromosómicas ;
Bioinformàtica ;
Bioinformatics ;
Bioinformática ;
Ciències de la Salut |
visitant ::
identificació
dir.
