Геномные зоны разломов появляются и исчезают
Хрупкие участки в геномах млекопитающих, которые, как считается, играют ключевую роль в эволюции, проходят процесс "рождения и смерти". К такому выводу пришли исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего в результате биоинформатического анализа. Работа, опубликованная в журнале Genome Biology 30 ноября, может помочь определить текущие хрупкие регионы в геноме человека, что позволит предсказать, как геном будет эволюционировать в будущем.
"Геномная архитектура каждого вида на Земле меняется в эволюционном масштабе времени, и люди не являются исключением. Каким будет следующее крупное изменение в геноме человека, неизвестно, но наш подход может быть полезен для определения того, где в геноме человека эти изменения могут произойти", — заявил Павел Певзнер, профессор компьютерных наук и соавтор исследования.
Хрупкие участки геномов склонны к "геномным землетрясениям", которые могут вызывать хромосомные перестройки, нарушать работу генов, изменять регуляцию генов и играть важную роль в эволюции геномов и возникновении новых видов. Например, у человека 23 хромосомы, в то время как у некоторых других человекообразных обезьян их 24. Это следствие перестройки, которая слила две хромосомы у нашего предка в человеческую хромосому 2.
Модель сменяемых хрупких разрывов
Главный вывод новой работы заключается в том, что хрупкие регионы перемещаются.
В 2003 году Певзнер и профессор математики Глен Теслер предложили "Модель хрупких разрывов", согласно которой в геномах существуют "зоны разломов" — регионы, более склонные к перестройкам. Эта модель противоречила общепринятой тогда "Модели случайных разрывов", предполагавшей отсутствие "горячих точек" перестроек в геномах млекопитающих.
Новая работа предлагает обновление — "Модель сменяемых хрупких разрывов" (Turnover Fragile Breakage Model). Результаты показывают, что хрупкие регионы проходят процесс рождения и смерти в эволюционных масштабах времени и дают ключ к определению их текущего местоположения в геноме человека.
Как найти хрупкие регионы?
Поиск хрупких регионов в геномах похож на попытку определить, сколько раз перетасовали колоду карт, глядя на её текущий беспорядок. Чтобы объявить регион хрупким, нужно знать, что разрывы происходили в одном и том же положении генома более одного раза.
"Мы выясняем, какие регионы пережили множественные геномные землетрясения, анализируя современные геномы, пережившие эти землетрясения миллионы лет назад", — пояснил Певзнер.
"Было замечено, что хотя хрупкие регионы могут быть общими для разных геномов, чаще всего такие общие регионы обнаруживаются у эволюционно близких геномов. Это наблюдение привело нас к выводу, что хрупкость любой конкретной геномной позиции может существовать лишь ограниченное время. Новая модель постулирует, что хрупкие регионы подвержены процессу 'рождения и смерти' и, следовательно, имеют ограниченную продолжительность жизни", — объяснил Макс Алексеев, соавтор исследования.
Модель предполагает, что геномные перестройки с большей вероятностью происходят в тех местах, где они недавно случались, и что эти места меняются в течение десятков миллионов лет. Таким образом, лучшей подсказкой для определения текущих хрупких регионов в геноме человека являются перестройки, произошедшие у наших ближайших предков — шимпанзе и других приматов.
"Самые вероятные будущие перестройки в геноме человека произойдут в тех местах, которые недавно были нарушены у приматов", — сказал Певзнер.
Исследователи с нетерпением ждут секвенированных геномов приматов в рамках Genome 10K Project, что может дать новое понимание эволюционной истории человека.
Эта работа также может быть полезна для понимания хромосомных перестроек на уровне отдельных людей, а не целых видов. В будущем учёные надеются использовать аналогичные инструменты для изучения повторяющихся хромосомных перестроек в клетках отдельных пациентов с раком, чтобы разработать новые методы диагностики и лекарства.