Первый взгляд на вариативность и эволюцию центромер

Геномное исследование центромер человека и некоторых приматов выявило их невероятное разнообразие и высокую скорость эволюционных изменений.

Центромера — это участок, где соединяются две сестринские хроматиды (половинки удвоенной хромосомы). Их положение определяет форму хромосомы. При делении клетки аппарат, разделяющий хромосомы, действует именно в области центромер. Ошибки в распределении генетического материала могут приводить к раку, врожденным нарушениям (например, синдрому Дауна) или невозможности развития эмбриона.

Несмотря на важность, сложная геномная организация центромер долгое время почти не поддавалась изучению. Теперь, благодаря технологиям длинного прочтения (long-read), улучшенным алгоритмам сборки генома и базам данных, ученые смогли оценить масштаб различий в размере и структуре центромер.

Первое исследование причин этих вариаций опубликовано 3 апреля в журнале Nature. Результаты показывают, что центромеры, вероятно, высокоиндивидуальны у разных людей и могут служить личной «подписью», подобно отпечаткам пальцев. Пока неизвестно, делают ли определенные вариации центромер человека предрасположенным к конкретным заболеваниям. Исключением является X-хромосома человека, чьи центромеры практически неизменны у разных людей.

Ведущий автор статьи — Гленнис Логсдон (ныне сотрудник Пенсильванского университета), старший автор — Эван Эйхлер из Медицинской школы Вашингтонского университета. Исследование стало прямым применением данных консорциумов Human Pangenome Reference и Telomere-to-Telomere (T2T).

Чтобы понять эволюцию центромер человека, команда сравнила полностью секвенированные центромеры человека с центромерами шимпанзе, орангутана и макаки. Ученые обнаружили, что центромеры эволюционируют гораздо быстрее других уникальных участков человеческого генома и являются одними из наиболее склонных к мутациям регионов. Их уникальная структура — результат действия различных эволюционных сил с разной скоростью.

«Быстрая мутация центромерных регионов наряду с их различной скоростью мутирования привела к их разнообразной структуре и организации», — отметила Логсдон. Ученых удивило, что такие жизненно важные области генома подвержены столь быстрым изменениям, так как обычно критические функции генетически консервативны.

В планах исследователей — создание большего количества генетических карт центромер у разных людей и в различных тканях, а также проведение семейных исследований. Полное секвенирование центромер других приматов поможет лучше смоделировать эволюционные силы, формирующие эти регионы.

В перспективе Логсдон и ее команда надеются применить полученные знания для проектирования искусственных человеческих хромосом, что может преобразовать медицину. На прошлой неделе в журнале Science Логсдон и коллеги показали, что увеличение вектора ДНК искусственной хромосомы позволяет эффективно создавать их в клетках.