G-квадруплексы являются фундаментальными функциональными элементами генома человека

ДНК обычно образует классическую форму двойной спирали — две нити, намотанные друг на друга. Но примерно 1% генома человека обладает способностью складываться в четырехцепочечные структуры ДНК, называемые G-квадруплексами (G4).

G-квадруплексы регулируют несколько ключевых клеточных процессов (например, транскрипцию) и, как предполагается, участвуют в других. В новом исследовании группа ученых из Пенсильванского государственного университета провела первый полногеномный анализ распределения, термостабильности и отбора G4.

Их результаты предполагают, что G-квадруплексы следует добавить в список функциональных элементов генома наряду с генами, регуляторными последовательностями и небелковыми кодирующими РНК.

«Было проведено всего несколько исследований, которые предоставили экспериментальные доказательства того, что отдельные элементы G4 играют функциональные роли», — сказал Вильфрид Гиблет, автор исследования.

«Наше исследование — первое, в котором изучаются G4 в геноме, чтобы увидеть, проявляют ли они характеристики функциональных элементов в качестве общего правила».

Чтобы лучше понять функцию G-квадруплексов, Вильфрид Гиблет и его коллеги изучили их распределение по геному, их термостабильность, а также наличие у них признаков влияния естественного отбора по отношению к другим функциональным элементам генома. .

Исследователи подтвердили, что, как правило, G4 чаще встречаются в областях генома, которые, как известно, выполняют важные клеточные функции, и что G4 в этих областях более стабильны, чем где-либо еще в геноме.

«Трехмерная структура G-квадруплексов может формироваться временно, и насколько устойчива их структура, зависит от лежащей в их основе последовательности ДНК и других факторов», — говорят ученые.

«Мы обнаружили, что обычно G4, расположенные в функциональных областях генома, имеют тенденцию быть более стабильными».

«Другими словами, более вероятно, что ДНК свернута в G4 в любой момент времени и, следовательно, более вероятно, что G4 существует по функциональной причине».

Функциональные области генома обычно поддерживаются естественным отбором, который называется очищающим отбором.

Мутации в этих областях могут нарушить их функцию и нанести вред организму. Следовательно, мутации обычно устраняются с помощью очищающего отбора, который сохраняет последовательность ДНК относительно неизменной с течением времени.

В нефункциональных областях генома мутация может не иметь никакого влияния и может сохраняться в геноме без каких-либо последствий. Считается, что эти области генома эволюционируют нейтрально.

То, где G-квадруплексы попадают в этот спектр, зависит от их местоположения в геноме.

«Мы можем изучить закономерности изменения последовательности ДНК у людей и между людьми и нашими близкими родственниками-приматами в качестве теста естественного отбора, а затем использовать отбор как индикатор функции», — говорят исследователи.

«Наши тесты показывают, что G4, расположенные в функциональных областях генома, по-видимому, подвергаются очищающей селекции, что является дополнительным доказательством того, что G-квадруплексы следует рассматривать как функциональные элементы».

«Единственным исключением из этого паттерна были белковые кодирующие области генов, где G4 относительно редки, довольно нестабильны и не развиваются при очищающем отборе. G4 в кодирующих белки областях генов могут быть нефункциональными».

«Мы думаем, что видим доказательства смены парадигмы того, как ученые определяют функцию в геноме», — сказала доктор Катерина Макова, исследователь кафедры биологии и Центра медицинской геномики Университета Пенсильвании.

Определение полного набора функциональных элементов генома имеет решающее значение для интерпретации потенциальных последствий заболеваний не только унаследованных генетических вариантов, но и мутаций, возникающих в тканях на протяжении жизни людей.

Исследование было опубликовано в журнале Genome Research.