Темные центры хромосом раскрывают древнюю ДНК

Генетики, исследующие "темное сердце" человеческого генома, обнаружили крупные фрагменты неандертальской и другой древней ДНК в центромерах. Это открывает новые пути для изучения как поведения хромосом во время деления клетки, так и их изменений в ходе эволюции человека.

Центромеры расположены в середине хромосом и служат якорем для волокон, которые растаскивают хромосомы при делении клеток. Их изучение важно для понимания причин ошибок деления, ведущих к раку или генетическим дефектам. Однако ДНК центромер состоит из множества повторяющихся последовательностей, что долгое время не позволяло составить их точную карту.

Профессор эволюции и экологии Калифорнийского университета в Дэвисе Чарльз Лэнгли назвал эту область "сердцем тьмы генома". Исследователи предположили, что в центромерах могут сохраняться протяженные гаплотипы — группы генов, наследуемых вместе. Это возможно потому, что центромеры не участвуют в процессе кроссинговера (обмена участками между хромосомами) при образовании половых клеток. Без такого "перемешивания" в каждом поколении центромеры могут сохранять очень древние участки ДНК в неизменном виде.

Ученые искали наследуемые однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), которые позволили бы картировать гаплотипы в центромере. Сначала они успешно идентифицировали центромерные гаплотипы ("cenhaps") у плодовых мушек Drosophila.

Это открытие имеет два ключевых следствия:

1. Возможность проводить функциональные тесты, чтобы выяснить, влияют ли различия в центромерах на то, какая ДНК передается по наследству.
2. Возможность использовать центромеры для изучения происхождения и эволюционного родства.

Гаплотипы возрастом в полмиллиона лет

Изучив центромерные последовательности из проекта "1000 Genomes", исследователи обнаружили гаплотипы, охватывающие центромеры во всех человеческих хромосомах.

В X-хромосоме они нашли несколько основных центромерных гаплотипов, чьи линии происхождения протянулись на полмиллиона лет. Большая часть генетического разнообразия наблюдается среди африканских геномов, что согласуется с недавним по эволюционным меркам расселением людей из Африки. Одна из самых древних линий центромерных гаплотипов не была унесена этими ранними мигрантами.

В хромосоме 11 в неафриканских геномах были обнаружены высокодивергентные гаплотипы неандертальской ДНК. Эти гаплотипы разошлись 700 000 – 1 000 000 лет назад, примерно в то время, когда предки неандертальцев отделились от других человеческих предков. Центромера хромосомы 12 также содержит еще более древний, архаичный гаплотип, который, по-видимому, происходит от неизвестного родственника.

Неандертальская ДНК в центромере хромосомы 11 может влиять на различия в нашем обонянии. Клетки, отвечающие за вкус и обоняние, несут рецепторы запахов, активируемые специфическими химическими сигналами. У человека около 400 различных генов обонятельных рецепторов. Тридцать четыре из этих генов находятся в пределах центромерного гаплотипа хромосомы 11. Неандертальские центромерные гаплотипы и второй древний гаплотип составляют около половины вариаций в этих белках обонятельных рецепторов.

Известно, что генетические вариации в обонятельных рецепторах могут влиять на чувство вкуса и запаха, однако функциональные эффекты вариаций, обнаруженных в данном исследовании, еще предстоит изучить, как и их влияние на вкус и обоняние.

Исследование опубликовано 18 июня в журнале eLife.