Центры хромосом раскрывают древнюю ДНК

Генетики, исследующие «сердце» человеческого генома, обнаружили в нем большие куски ДНК неандертальцев и других древних ДНК. Полученные результаты открывают новые способы изучения как хромосом, которые ведут себя во время деления клеток, так и того, как они изменились в ходе эволюции человека.

Хромосомы — это структуры в ядре эукариотической клетки, в которых сосредоточена большая часть наследственной информации. Центромеры находятся посередине хромосом и закрепляет волокна, которые разделяют хромосомы, когда клетки делятся, что означает, что они действительно важны для понимания того, что происходит, когда деление клетки происходит неправильно, что приводит к раку или генетическим дефектам.

Но ДНК центромер содержит много повторяющихся последовательностей, и ученые не смогли правильно нанести на карту этот регион.

«Это сердце тьмы генома, мы предупреждаем студентов не ходить туда», — сказал Чарльз Лэнгли, профессор эволюции и экологии в Калифорнийском университете в Дэвисе. Лэнгли — старший автор статьи, описывающей работу, опубликованную в журнале eLife.

Он и его коллеги пришли к выводу, что могут существовать гаплотипы — группы генов, которые наследуются вместе в эволюции человека — которые простираются на огромные части наших геномов, и даже по всем центромерам.

Это связано с тем, что центромеры не участвуют в так называемом процессе «кроссовера», который происходит, когда клетки делятся, образуя сперму или яйцеклетку. Во время кроссовера парные хромосомы выстраиваются рядом друг с другом, и их конечности пересекаются, иногда разрезая и сращивая ДНК между ними, так что гены могут быть перетасованы. Но кроссоверы сокращаются до нуля вблизи центромер. Без этой перестановки в каждом поколении центромеры могли бы сохранить очень древние участки ДНК без изменений.

Исследователи искали унаследованные однонуклеотидные полиморфизмы — унаследованные изменения в одной букве ДНК — которые позволили бы им картировать гаплотипы в центромере. Сначала они показали, что могут идентифицировать центромерные гаплотипы, или «кенабы», у плодовых мух дрозофилы.

Этот вывод имеет два значения. Во-первых, если исследователи могут отличать хромосомы друг от друга по их центромерам, они могут начать проводить функциональные тесты, чтобы определить, влияют ли эти различия на то, какой фрагмент ДНК наследуется. Например, во время образования яйцеклетки четыре хроматиды образуются из двух хромосом, но только одна попадает в яйцеклетку. Итак, ученые хотят знать: передаются ли определенные гаплотипы центромер чаще? И есть ли вероятность того, что некоторые гаплотипы будут вовлечены в ошибки?

Во-вторых, исследователи могут использовать центромеры, чтобы посмотреть на происхождение и эволюционное происхождение.

Обращаясь к человеческой ДНК, ученые рассмотрели последовательности центромер из проекта 1000 геномов, общедоступного каталога человеческих генов. Они обнаружили гаплотипы, охватывающие центромеры во всех хромосомах человека.

В Х-хромосоме в этих последовательностях генома они обнаружили несколько основных центромерных гаплотипов, представляющих родословную, растянувшуюся на полмиллиона лет. В геноме в целом большая часть разнообразия наблюдается среди африканских геномов, что согласуется с недавним распространением людей с африканского континента. Одна из старейших гаплотиповых линий центромер не принадлежала этим ранним эмигрантам.

В 11-й хромосоме они обнаружили сильно отличающиеся гаплотипы неандертальской ДНК в неафриканских геномах. Эти гаплотипы расходились от 700 000 до миллиона лет назад, примерно в то время, когда предки неандертальцев отделялись от других человеческих предков. Центромера хромосомы 12 также содержит еще более древний архаичный гаплотип, который, по-видимому, происходит от неизвестного родственника.

Неандертальская ДНК на хромосоме 11 может влиять на различия в нашем обонянии и по сей день. Клетки, которые реагируют на вкус и запах, несут рецепторы запахов, вызванные специфическими химическими сигнатурами. Люди имеют около 400 различных генов для рецепторов запахов. Тридцать четыре из этих генов находятся в пределах гаплотипа центромера хромосомы 11. Центромерные гаплотипы неандертальцев и второй древний гаплотип составляют около половины вариации этих белков-рецепторов запахов.

Из других работ известно, что генетические вариации в рецепторах одоранта могут влиять на чувство вкуса и обоняния, но функциональные эффекты вариаций, обнаруженных в этом исследовании, еще предстоит обнаружить, а их влияние на вкус и запах проанализировать.

Больше информации: eLife, DOI: 10.7554/eLife.42989