Когда в 2003 году ученые объявили о полной последовательности генома человека, они немного лукавили.
Фактически, почти 20 лет спустя около 8% генома так и не были полностью секвенированы, в основном потому, что он состоит из повторяющихся фрагментов ДНК, которые трудно сопоставить с остальными.
Но трехлетний консорциум, наконец, заполнил эту оставшуюся ДНК, предоставив ученым и врачам первую полную последовательность генома без пробелов.
Недавно завершенный геном, получивший название T2T-CHM13, представляет собой серьезное обновление по сравнению с текущим эталонным геномом, называемым GRCh38, который используется врачами при поиске мутаций, связанных с болезнью, а также учеными, изучающими эволюцию генетических вариаций человека.
Среди прочего, новые последовательности ДНК раскрывают невиданные ранее детали об области вокруг центромеры , где хромосомы захватываются и разъединяются при делении клеток, гарантируя, что каждая «дочерняя» клетка наследует правильное количество хромосом. Изменчивость в этом регионе может также предоставить новые доказательства того, как наши человеческие предки эволюционировали в Африке.
«Раскрытие полной последовательности этих ранее отсутствовавших областей генома многое рассказало нам об их организации, что было совершенно неизвестно для многих хромосом», — сказал Николас Альтемоз , научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. соавтор четырех новых статей о завершенном геноме. «Раньше у нас была самая размытая картина того, что там было, а теперь она кристально чистая вплоть до разрешения одной пары оснований».
Альтемоз является первым автором одной статьи, в которой описываются последовательности пар оснований вокруг центромеры. Статья , объясняющая, как было выполнено секвенирование, появится в печатном выпуске журнала Science от 1 апреля, в то время как центромерная статья Altemose и четыре других, описывающих то, что говорят нам новые последовательности, обобщены в журнале, а полные статьи размещены в Интернете. Четыре сопутствующие статьи, в том числе одна, соавтором которой является Альтемоз, также будут опубликованы в Интернете 1 апреля в журнале Nature Methods.
Секвенирование и анализ были выполнены командой из более чем 100 человек, так называемым Консорциумом телемер- теломеров, или T2T, названным в честь теломер, покрывающих концы всех хромосом. Разработанная консорциумом версия всех 22 аутосом и X половой хромосомы без пробелов состоит из 3,055 миллиарда пар оснований, единиц, из которых построены хромосомы и наши гены, и 19 969 генов, кодирующих белок. Из генов, кодирующих белок, команда T2T обнаружила около 2000 новых, большинство из которых отключены, но 115 из которых все еще могут экспрессироваться. Они также обнаружили около 2 миллионов дополнительных вариантов в геноме человека , 622 из которых встречаются в генах, имеющих медицинское значение.
«В будущем, когда кто-то секвенирует свой геном, мы сможем идентифицировать все варианты в его ДНК и использовать эту информацию, чтобы лучше направлять их здоровье», — сказал Адам Филлиппи, один из руководителей T2T и старший Исследователь Национального института исследований генома человека (NHGRI) Национального института здравоохранения. «Действительно завершение последовательности генома человека было похоже на надевание новой пары очков. Теперь, когда мы можем ясно видеть все, мы на один шаг ближе к пониманию того, что все это значит».
Развивающаяся центромера
Новые последовательности ДНК внутри и вокруг центромеры составляют около 6,2% всего генома, или почти 190 миллионов пар оснований или нуклеотидов. Из оставшихся недавно добавленных последовательностей большинство находится вокруг теломер на концах каждой хромосомы и в областях, окружающих рибосомные гены. Весь геном состоит всего из четырех типов нуклеотидов, которые в группах по три кодируют аминокислоты, используемые для построения белков. Основное исследование Altemose связано с поиском и изучением областей хромосом, где белки взаимодействуют с ДНК.
«Без белков ДНК — ничто», — сказал Альтемоз, получивший докторскую степень. в области биоинженерии совместно из Калифорнийского университета в Беркли и Калифорнийского университета в Сан-Франциско в 2021 году после получения степени доктора философии. по статистике Оксфордского университета. «ДНК — это набор инструкций, и никто не может их прочитать, если рядом нет белков, которые организуют их, регулируют, восстанавливают, когда они повреждены, и воспроизводят их. Взаимодействия белок-ДНК — это действительно то, где все действие происходит для регулирование генома и возможность картировать, где определенные белки связываются с геномом, действительно важны для понимания их функции».
После того, как консорциум T2T секвенировал отсутствующую ДНК, Альтемоз и его команда использовали новые методы, чтобы найти место внутри центромеры, где большой белковый комплекс, называемый кинетохорой, прочно захватывает хромосому, чтобы другие машины внутри ядра могли разъединить пары хромосом.
«Когда что-то пойдет не так, вы получите неправильно сегрегированные хромосомы, а это приведет к всевозможным проблемам», — сказал он. «Если это происходит в мейозе, это означает, что у вас могут быть хромосомные аномалии, ведущие к самопроизвольному выкидышу или врожденным заболеваниям. Если это происходит в соматических клетках, вы можете заболеть раком — в основном, клетками с массивной неправильной регуляцией».
То, что они обнаружили в центромерах и вокруг них, было слоями новых последовательностей, перекрывающими слои старых последовательностей, как будто в ходе эволюции неоднократно закладывались новые области центромер, чтобы связываться с кинетохорой. Более старые области характеризуются более случайными мутациями и делециями, что указывает на то, что они больше не используются клеткой. Более новые последовательности, с которыми связывается кинетохора, гораздо менее вариабельны, а также менее метилированы. Добавление метильной группы представляет собой эпигенетическую метку, которая приводит к молчанию генов.
Все слои внутри и вокруг центромеры состоят из повторяющихся отрезков ДНК, основанных на единице длиной около 171 пары оснований, что примерно соответствует длине ДНК, которая оборачивается вокруг группы белков с образованием нуклеосомы, сохраняя упаковку ДНК. и компактный. Эти единицы из 171 пары оснований образуют еще более крупные повторяющиеся структуры, которые многократно дублируются в тандеме, создавая большую область повторяющихся последовательностей вокруг центромеры.
Команда T2T сосредоточилась только на одном геноме человека, полученном из нераковой опухоли, называемой пузырным заносом, который, по сути, представляет собой человеческий эмбрион, который отверг материнскую ДНК и вместо этого продублировал свою отцовскую ДНК. Такие эмбрионы погибают и трансформируются в опухоли. Но тот факт, что у этой родинки были две идентичные копии отцовской ДНК — обе с Х-хромосомой отца, а не разные ДНК как матери, так и отца, — упростил секвенирование.
Исследователи также опубликовали на этой неделе полную последовательность Y-хромосомы из другого источника, на сборку которой ушло почти столько же времени, сколько и на сборку остальной части генома. Анализ этой новой последовательности Y-хромосомы появится в будущей публикации.
Альтемоз и его команда, в которую входил ученый из Калифорнийского университета в Беркли Саша Лэнгли, также использовали новый эталонный геном в качестве основы для сравнения центромерной ДНК 1600 человек со всего мира, выявив серьезные различия как в последовательности, так и в количестве копий повторяющейся ДНК вокруг. центромера. Предыдущие исследования показали, что, когда группы древних людей мигрировали из Африки в остальной мир, они уносили с собой лишь небольшую выборку генетических вариантов. Altemose и его команда подтвердили, что этот паттерн распространяется на центромеры.
«Мы обнаружили, что у людей с недавним происхождением за пределами африканского континента их центромеры, по крайней мере, на хромосоме X, имеют тенденцию распадаться на два больших кластера, в то время как большая часть интересных вариаций наблюдается у людей, которые имеют недавнее африканское происхождение», — Альтемоз. сказал. «Это не совсем неожиданно, учитывая то, что мы знаем об остальной части генома. Но это говорит о том, что если мы хотим посмотреть на интересные вариации в этих центромерных областях, нам действительно нужно приложить целенаправленные усилия для секвенирования. больше африканских геномов и выполнить полную сборку последовательности теломер к теломеру».
Он отметил, что последовательности ДНК вокруг центромеры также могут быть использованы для отслеживания происхождения человека до наших общих предков-обезьян.
«По мере того, как вы удаляетесь от места активной центромеры, вы получаете все более и более деградировавшую последовательность, вплоть до того, что, если вы выйдете на самые дальние берега этого моря повторяющихся последовательностей, вы начнете видеть древнюю центромеру, которая, возможно, , наши далекие предки-приматы связывались с кинетохорой», — сказал Альтемос. «Это почти как слои окаменелостей».
Последовательность длинных чтений, которая меняет правила игры
Успех T2T обусловлен улучшенными методами одновременного секвенирования длинных участков ДНК, что помогает при определении порядка повторяющихся участков ДНК. Среди них секвенирование PacBio HiFi, которое может считывать длину более 20 000 пар оснований с высокой точностью. С другой стороны, технология, разработанная Oxford Nanopore Technologies Ltd., может последовательно считывать до нескольких миллионов пар оснований, хотя и с меньшей точностью. Для сравнения, так называемое секвенирование нового поколения Illumina Inc. ограничено сотнями пар оснований.
«Эти новые технологии секвенирования ДНК с длительным чтением просто невероятны; они меняют правила игры не только для этого повторяющегося мира ДНК, но и потому, что они позволяют секвенировать отдельные длинные молекулы ДНК», — сказал Альтемоз. «Вы можете начать задавать вопросы на таком уровне разрешения, который раньше был просто невозможен, даже при использовании методов краткого чтения».
Альтемоз планирует продолжить изучение центромерных областей, используя усовершенствованный метод, который он и его коллеги из Стэнфорда разработали для точного определения участков на хромосоме, которые связаны с белками, подобно тому, как кинетохора связывается с центромерой. Этот метод также использует технологию секвенирования с длинным считыванием. Он и его группа описали метод, названный Направленное метилирование с секвенированием с длинным чтением (DiMeLo-seq), в статье , опубликованной на этой неделе в журнале Nature Methods .
Между тем, консорциум T2T сотрудничает с консорциумом Human PanGenome Reference Consortium для работы над эталонным геномом, который представляет все человечество.
«Вместо того, чтобы просто иметь одну ссылку от одного человека или одного пузырного заноса, который даже не является реальным человеком, у нас должна быть ссылка, которая представляет всех», — сказал Альтемоз. «Существуют разные идеи о том, как это сделать. Но сначала нам нужно понять, как выглядит эта вариация, и для этого нам нужно множество высококачественных последовательностей отдельных геномов».
Его работа над центромерными областями, которую он назвал «проектом страсти», финансировалась за счет докторских стипендий. Руководителями проекта T2T были Карен Мига из Калифорнийского университета в Санта-Круз, Эван Эйхлер из Вашингтонского университета и Адам Филлиппи из NHGRI, которые предоставили большую часть финансирования. Другими соавторами статьи о центромерах из Калифорнийского университета в Беркли являются Аарон Стритс, доцент кафедры биоинженерии; Эбби Дернбург и Гэри Карпен, профессора молекулярной и клеточной биологии; ученый проекта Саша Лэнгли; и бывший научный сотрудник Джина Калдас.
