Необычная укладка ДНК повышает частоту мутаций
Участки ДНК, способные сворачиваться в формы, отличные от классической двойной спирали, имеют более высокую частоту мутаций, чем другие области генома человека. Новое исследование учёных из Университета штата Пенсильвания показывает, что повышенная частота мутаций в этих последовательностях играет важную роль в формировании региональных различий в частоте мутаций по всему геному. Расшифровка этих различий важна как для понимания эволюции, так и для прогнозирования мест возникновения новых мутаций, которые могут привести к заболеваниям.
Исследование опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.
«Большую часть времени мы думаем о ДНК как о классической двойной спирали; эта основная форма называется "B-ДНК"», — сказал Уилфрид Гибле, соавтор статьи. «Но до 13% генома человека может сворачиваться в другие конформации, называемые "не-B-ДНК". Мы хотели выяснить, какую роль, если вообще какую-либо, эта не-B-ДНК играет в вариациях частоты мутаций в разных областях генома».
Не-B-ДНК может принимать ряд различных конформаций в зависимости от последовательности. Примеры включают G-квадруплексы, Z-ДНК, H-ДНК, скользящие цепи и другие формы. Недавние исследования показали, что не-B-ДНК играет критическую роль в клеточных процессах, включая репликацию генома и транскрипцию ДНК в РНК, а мутации в таких последовательностях связаны с генетическими заболеваниями.
«В предыдущем исследовании мы показали, что в искусственной системе прибора для секвенирования ДНК, который использует процессы копирования, аналогичные клеточным, частота ошибок была выше в не-B-ДНК во время полимеризации», — сказала Катерина Макова, один из руководителей исследовательской группы. «Мы считаем, что это связано с тем, что ферменту, копирующему ДНК, труднее "читать" не-B-ДНК. Здесь мы хотели проверить, существует ли подобное явление в живых клетках».
Команда сравнила частоту мутаций между B- и не-B-ДНК на двух разных временных масштабах. Для анализа относительно недавних изменений они использовали существующую базу данных последовательностей ДНК человека, чтобы идентифицировать отдельные нуклеотиды, которые различаются у людей («однонуклеотидные полиморфизмы», SNPs). Для анализа более древних изменений команда также сравнила геном человека с геномом орангутана.
Они также исследовали влияние не-B-ДНК на частоту мутаций в соседних нуклеотидах и на более удалённых участках.
«Для выявления различий в частоте мутаций мы использовали статистические методы "функционального анализа данных", сравнивая данные как кривые, а не отдельные точки», — сказала Марция А. Кремона, соавтор статьи. «Эти методы дали нам статистическую мощность для сравнения частоты мутаций различных типов не-B-ДНК с контрольными участками B-ДНК».
Для большинства типов не-B-ДНК команда обнаружила повышенные частоты мутаций. Различия были настолько значительными, что мутагенез в не-B-ДНК влиял на региональную вариацию в их непосредственном окружении. Эти различия также помогли объяснить большую часть вариации, наблюдаемой вдоль генома в масштабе миллионов нуклеотидов.
«Когда мы рассматриваем все известные факторы, влияющие на региональную вариацию частоты мутаций в геноме, не-B-ДНК является крупнейшим фактором», — сказала Франческа Кьяромонте, один из руководителей исследовательской группы. «Это важное открытие».
«Наши результаты имеют важное медицинское значение», — сказала Кристин Эккерт, соавтор статьи и давний сотрудник команды. «Например, генетикам человека следует учитывать потенциал локуса к образованию не-B-ДНК при оценке кандидатных генетических вариантов для наследственных заболеваний. Наше текущее и будущее исследование сосредоточено на раскрытии механистической основы повышенной частоты мутаций в не-B-ДНК».
Результаты также имеют эволюционные последствия.
«Мы знаем, что естественный отбор может влиять на вариации в геноме, поэтому для этого исследования мы рассматривали только те области, которые, как мы считаем, не находятся под влиянием отбора», — сказал И-Фей Хуан, один из руководителей исследовательской группы. «Это позволяет нам установить базовую частоту мутаций для каждого типа не-B-ДНК, что в будущем может помочь выявить признаки естественного отбора в этих последовательностях».
Из-за повышенной частоты мутаций последовательности не-B-ДНК могут быть важным источником генетической изменчивости, которая является основой эволюционных изменений.
«Мутации обычно считаются настолько редкими, что когда мы видим одну и ту же мутацию у разных людей, предполагается, что у них был общий предок, который передал им эту мутацию», — сказала Макова. «Но возможно, что частота мутаций в некоторых из этих областей не-B-ДНК настолько высока, что одна и та же мутация может возникать независимо у нескольких разных людей. Если это так, это изменит наше представление об эволюции».