Ring Chromosome

        环状染色体(RC)是由染色体两端端粒或远端区域的断裂和-融合而形成，并取代了一条正常染色体。RCs是罕见的，估计新生儿发病率为1/50000，全球每年有2800例患者。环状染色体的细胞基因组结构以及临床表型皆存在异质性，这给环状染色体的诊断以及患者的医疗管理都带来了很大的挑战。

        2022年《Human Genetics and Genomics Advances》杂志发表了一篇“The past, present, and future for constitutional ring chromosomes: A report of the international consortium for human ring chromosomes”，研究团队利用新的检测技术，揭示环状染色体的细胞基因组结构、形成机制，并且提出RCs患者的临床表现以及临床表型上存在异质性，而目前的诊断技术缺乏分析RCs的细胞行为和基因组失衡的实验室标准，已报道临床病例的代表性不足和缺乏全面的诊断分析，使临床-细胞基因组相关性的循证解读和后续临床管理的建议面临挑战。研究提出有必要在全球范围内对所有RC患者进行标准化细胞基因组学诊断和循证临床管理。

目前环状染色体的检测手段

1.细胞核型

        显带细胞遗传学能够有效检出RCs及动态嵌合*，但是显带的分辨率低无法可靠地区分完整环和不完整环。

        *RCs的环形结构本身可能会影响受精后细胞的有丝分裂行为从而导致随机并持续产生的遗传不同细胞的结果被描述为“动态嵌合”（图1）

图1.动态嵌合

        单染色质的环状染色体在间期会发生复制。姐妹染色单体交换(sister chromatid exchanges,SCE)可能发生,也可能不发生。在减数分裂时,如果没有SCE(左),染色体的分离则是对称的(虚线箭头表示将同源染色体拽向两极的纺锤体)。如果有一个SCE,则生成一个两倍大小的环(中间)。随着两个着丝粒在后期被拉向相反的两极(虚线箭头),染色体可能会断裂。如果有两个SCE,在同一“旋转方向(右),两个环互相扣住,其后果发生断裂或者其他机械损伤。第二个与旋转方向相反的 SCE 将扭转这种情况。（图片来源《染色体异常与遗传咨询》 第5版 徐从剑 主译）

2.FISH

        FISH技术除了能检出环状染色体和动态嵌合外，还可有效地识别患者的小RCs (src)和多余的小环或标记染色体(sSRCs/sSMCs)的染色体起源。但利用FISH检测的前提是其他技术提示具体哪条染色体可能发生环状染色体且受特定探针的限制。

3.染色体微阵列（CMA）

应用染色体微阵列分析可以精确地描述了RC患者的片段重复和缺失，辅助染色体核型分析RC是完整环或不完整环。

4.全基因组测序（WGS）

        如果发现同时包含p和q臂序列的DNA片段，可推测为RC，且可在碱基对水平上检测断点和融合序列。

研究指出人类RCs的综合分析应该结合基于细胞的G显带和FISH分析来检测环变异和动态嵌合，以及基于DNA的CMA和WGS分析来识别基因组改变。

图2.过去60年人类RC研究的主要技术进步和重要临床发现

目前对环状染色体的认知

目前报道的临床病例概述

        研究认为，自1962年以来PubMed报道的1029例患者约仅占全球所有RCs的0.6%。

对这些病例RCs统计发现其分布明显不均匀（图3A），提出了“RC不耐受和不稳定”的结论，RC的不稳定性和不耐受可能是染色体特异性，也可能是多基因作用的结果（图3B）。研究团队进一步研究统计了RCs患者的发病年龄或诊断年龄的分布以及性别的相关性（图3C）。

图3.人类 RCs的相对频率和病例分布

        A.各条环染色体的相对频率：RC18、20和X的相对频率为10% ~ 12%，RC1、8、12、16和19相对频率< 1%；

        B.每条染色体中 RCs 的相对频率与蛋白质编码基因数量的相关性；

        C.常染色体 RCs 的发病年龄、诊断年龄和性别分布：在140例存活患者的年龄范围为18 ~ 67岁；25例(71%)在新生期或出生后1年内因心脏、呼吸和肾脏系统异常死亡，9例(26%)在儿童期和青少年期死亡，1例(3%)在27岁时死亡。

环状染色体的产生机制和结构异质性

RCs的类型

        在结构上，RCs分为两种主要类型:

        ①端粒与端粒融合，且没有遗传物质损失的完整 RCs；

        ②由一次或多次融合事件导致远端或间质缺失和/或重复的不完整 RCs。

RC的形成

        RC的形成可能跟以下几个方面有关：

        ①完整环的端粒和亚端粒的融合；

        ②染色体远端的断裂和融合导致染色体远端片段的丢失；

        ③远端的断裂-反向重复-融合导致的远端缺失和间质重复，等等；

        同时，RC在有丝分裂过程中会进行自我拯救，嵌合体现象的sSRCs 、sSMCs以及单亲同二体（iUPD）作为RC的拯救产物产生。

RCs在细胞基因组结构上存在很大的异质性，这种异质性与RC不稳定性引起的有丝分裂障碍所致的动态嵌合有关。对同一个RC患者的不同组织进行细胞和基因组学分析，往往有不同的结果，这些观察结果表明，在解读单个组织分析的RC结果时存在局限性。

RC患者的临床表现和表现异质性

        环综合征被认为是RC患者的一般临床表现，完整环同样伴有严重生长障碍和不同程度智力障碍。

        ※ 在不同的RCs中，不同系统的缺陷，如心脏和肌肉缺陷、眼和牙齿异常，以及不同的大脑和神经系统缺陷，如自闭症、双相障碍、癫痫或癫痫发作，以及其他组织特异性影响已被报道。

        ※ 已在RC13、14、17、18和22中报告了自闭症。癫痫和癫痫发作在RC14综合征(OMIM: 616606)和RC20中有极高的外显率，但也见于其他常染色体RC，如17、18和21。

        ※ 已经报道了不同的RCs与远端缺失综合征的明显临床相关性。例如，RC4患者伴Wolf-Hirschhorn综合征，RC5伴猫叫综合征(OMIM: 123450)，RC17伴Miller-Dieker综合征(OMIM: 247200)等。

        ※ 除先天性异常外，RCs还具有患特定癌症的风险，如RC7与皮肤病变和恶性黑色素瘤相关、RC11与肾母细胞瘤相关（图4），对于携带这些RC的患者，应考虑进行癌症监测。

        然而RCs患者往往表现出临床异质性，这是由于独特的有丝分裂行为导致的动态嵌合以及RC中特定基因组失衡导致的复合效应。

图4

iPSCs作为RCs患者的治疗方向

        利用体外模型将RCs患者来源的细胞重新编程为iPSCs，发现通过单体代偿性UPD的机制，RC意外消失。但目前利用iPSCs技术治疗RC的理念的局限性包括技术操作的有效性和时效性、暴露隐性疾病或印记疾病的风险以及伦理方面的考虑。

未来方向

        观察到的RCs的细胞基因组和临床异质性表明，有必要在大型病例中进行系统性分析，以实现准确的临床-细胞基因组相关性，以及基于证据的遗传咨询和临床管理。因此在2021年，多家医学遗传学实验室联合美国医学遗传学与基因组学会成立了国际人类RC联盟 (ICHRC)。

ICHRC的目标

        1.制定实验室标准和分析RC的指南。

        2.重新分析、审查，并将RC病例注册到人类环染色体登记处作为在线数据库。

        3.对RC的结构和细胞行为进行进一步的基因组学和功能分析。

        每个RC都有一个由临床和分子细胞遗传学家、临床遗传学家和遗传研究人员组成的专门工作组。每个工作组按照美国医学遗传学和基因组学学院(ACMG)提出的循证实践指南进行系统的证据审查。工作组的目标是在5年内审查、整理和登记超过1000名患者，以充分代表所有常染色体和性染色体RCs。

图5.ICHRC工作流程

ICHRC和相关资源的这些有组织的努力将实现的未来：

        1.对RC患者的循证咨询和临床管理。

        2.各种RC的基因组结构特征及其潜在的分子机制。

        3.影响RC不稳定性和不耐受的遗传和基因组因素的定义。

        4.为合作遗传研究提供患者来源的资源。