Геном человека наконец-то полностью расшифрован
В прошлом уже несколько раз объявлялось о завершении работы над геномом человека, но оказалось, что это были незаконченные черновики.
"На этот раз мы действительно считаем это реальностью", - говорит Эван Эйхлер, генетик человека и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза при Университете Вашингтона в Сиэтле. Завершенный геном представлен в серии статей, опубликованных 31 марта в журналах Science и Nature Methods.
Международная группа исследователей, включая Эйхлера, использовала новую технологию секвенирования ДНК, чтобы распутать повторяющиеся участки ДНК, которые были удалены из ранней версии генома, широко используемой в качестве справочника для руководства биомедицинскими исследованиями. Расшифровка этих замысловатых участков добавила в инструкцию около 200 миллионов оснований ДНК, примерно 8 % генома. Это, по сути, целая глава. И она очень содержательна: в ней впервые рассматриваются короткие ветви некоторых хромосом, давно потерянные гены и важные части хромосом, называемые центромерами, где механизм, отвечающий за разделение ДНК, фиксирует хромосому.
"Некоторые из не изученных регионов на самом деле оказались самыми интересными", - говорит Раджив Маккой, генетик человека из Университета Джона Хопкинса, который был членом команды, известной как консорциум Telomere-to-Telomere (T2T), собирающий полный геном. "Это очень интересно, потому что мы можем впервые заглянуть в эти области и посмотреть, что мы сможем там найти". Теломеры - это повторяющиеся участки ДНК, расположенные на концах хромосом. Они, подобно аглеткам на шнурках, могут помочь удерживать хромосомы от разворачивания.
Данные, полученные в ходе этой работы, уже доступны для изучения другим исследователям. И некоторые, например, генетик Тинг Ванг из Медицинской школы Вашингтонского университета, уже углубились в эту работу. "Наличие полного эталона генома определенно улучшает биомедицинские исследования.... Это чрезвычайно полезный ресурс", - говорит он. "Нет никаких сомнений в том, что это важное достижение". Но, говорит Ванг, "геном человека еще не завершен". Чтобы понять, почему и о чем говорит нам этот новый том генетической энциклопедии человека, рассмотрим это важное событие подробнее.
Эйхлер осторожно отмечает, что "это завершение" генома человека. Но такой вещи, как геном человека не существует". У любых двух людей большие части генома будут весьма схожими и практически идентичными, но меньшие части генома будут дико отличаться друг от друга". Эталонный геном может помочь исследователям увидеть, где люди отличаются друг от друга, что может указать на гены, которые могут быть вовлечены в заболевания. Наличие полного генома, без пробелов и скрытой ДНК, может дать ученым лучшее понимание здоровья, болезней и эволюции человека.
В новом полном геноме нет пробелов, как в предыдущем эталонном геноме человека. Но у него все еще есть определенные недостатки, говорит Ванг. Старый эталонный геном представляет собой конгломерат ДНК более чем 60 человек. "Ни у одного человека, ни у одной клетки на нашей планете нет такого генома". Это относится и к новому, полному геному. "Это, без кавычек, поддельный геном", - говорит Ванг, который не участвовал в проекте.
Новый геном также получен не от человека. Это геном полной гидатидиформной родинки - опухоли, которая возникает, когда сперматозоид оплодотворяет пустую яйцеклетку, и хромосомы отца дублируются. Исследователи решили расшифровать полный геном клеточной линии под названием CHM13, полученной из одной из таких необычных опухолей. Это решение было принято по технической причине, говорит генетик Карен Мига из Калифорнийского университета. Обычно люди получают один набор хромосом от матери, а другой - от отца. Поэтому "у нас в каждой клетке два генома".
Если собрать геном воедино - как собрать пазл, то "по сути, у вас есть два пазла в одной коробке, которые очень похожи друг на друга", - говорит Мига, позаимствовав аналогию у своего коллеги. Исследователям придется рассортировать эти два пазла, прежде чем собрать их воедино. "Геномы из гидатидиформных родинок не представляют такой сложности. Это просто один пазл в коробке".
Исследователям действительно пришлось добавить Y-хромосому от другого человека, потому что сперматозоид, создавший гидатидиформную родинку, нес Х-хромосому.
Собрать даже одну головоломку - задача не из легких. Но новые технологии, позволяющие исследователям расставлять основания ДНК - представленные буквами A, T, C и G - по порядку, позволяют получить участки длиной до 100 000 оснований. Подобно тому, как детские головоломки легче разгадывать разложив предварительно на более крупные и менее крупные кусочки, эти "длинные фрагменты" облегчают сборку кусочков генома, особенно в повторяющихся частях, где всего несколько оснований могут отличать одну копию от другой. Большие фрагменты также позволили исследователям исправить некоторые ошибки в старом эталонном геноме.
Для начала, в новой расшифрованной ДНК содержатся короткие ветви хромосом 13, 14, 15, 21 и 22. Эти "акроцентрические хромосомы" не похожи на красивые, аккуратные буквы X, как остальные хромосомы. Вместо этого у них есть длинные ноги и пухлые короткие руки. Длина коротких рук не соответствует их важности. На них расположены гены рДНК, которые кодируют рРНК, являющиеся ключевыми компонентами рибосом. Рибосомы считывают генетические инструкции и строят все белки, необходимые для работы клеток и тела. В геноме каждого человека сотни копий этих участков рРНК, в среднем 315, но у некоторых людей их больше, а у некоторых меньше. Они важны для того, чтобы обеспечить наличие в клетках фабрик по производству белков."Мы не знали, чего ожидать от этих регионов", - говорит Мига. "Мы обнаружили, что каждая акроцентрическая хромосома и каждая рДНК на этой акроцентрической хромосоме имеют варианты, изменения в повторяющихся единицах, характерных для данной хромосомы".
Используя флуоресцентные метки, Эйхлер и его коллеги обнаружили, что повторяющаяся ДНК рядом с регионами рДНК - и, возможно, рДНК тоже - иногда меняет местоположение, чтобы расположиться на другой хромосоме. "Это похоже на сидение на двух стульях", - говорит он. Почему и как это происходит, пока остается загадкой".
Полный геном также содержит 3 604 гена, включая 104 гена, кодирующих белки, которых не было в старом, неполном геноме. Многие из этих генов представляют собой слегка отличающиеся копии ранее известных генов, включая некоторые, которые были связаны с эволюцией и развитием мозга, аутизмом, иммунными реакциями, раком и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Карта расположения всех этих генов может привести к лучшему пониманию того, что они делают, и, возможно, даже того, что делает человека человеком.
Одной из самых больших находок может стать структура центромеров человека. Центромеры - зазубренные участки, придающие большинству хромосом их характерную Х-образную форму, - являются точками сборки кинетохоров, клеточного механизма, который разделяет ДНК во время деления клетки. Это одна из самых важных задач клетки. Когда она идет не так, как надо, это может привести к врожденным дефектам, раку или смерти. Исследователи уже расшифровали центромеры плодовых мушек и 8, X и Y хромосом человека, но впервые исследователи получили представление об остальных центромерах человека. Эти структуры в основном представляют собой повторы примерно 171 пары оснований ДНК, известные как альфа-сателлиты. Но эти повторы располагаются внутри других повторов, создавая сложные узоры, которые отличают центромер каждой хромосомы. Знание этих структур поможет исследователям узнать больше о том, как делятся хромосомы и что может нарушить этот процесс.
Исследователи также теперь имеют более полную карту эпигенетических меток - химических меток на ДНК или связанных с ней белках, которые могут изменять регуляцию генов. Один из типов эпигенетических меток, известный как метилирование ДНК, довольно широко распространен на всех центромерах, за исключением одного места в каждой хромосоме, называемого областью центромерного провала. Исследователи обнаружили, что именно в этих местах кинетохоры захватывают ДНК. Но пока неясно, вызывает ли провал в метилировании сборку клеточного механизма в этом месте или сборка механизма приводит к снижению уровня метилирования. Изучение моделей метилирования ДНК нескольких людей и сравнение их с новым эталоном показало, что провалы происходят в разных местах центромеров каждого человека, хотя последствия этого неизвестны.
Около половины генов, связанных с эволюцией мозга человека, находятся в нескольких копиях в недавно обнаруженных повторяющихся частях генома. Наложение эпигенетических карт на эталонные позволило исследователям выяснить, какие из многих копий этих генов включаются и выключаются."Это дает нам немного больше понимания того, какие из них действительно важны и играют функциональную роль в развитии человеческого мозга", - говорит Ариэль Гершман, генетик из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса. "Это было интересно для нас, потому что никогда не было достаточно точного эталона в этих [повторяющихся] регионах, чтобы определить, какой из генов какой, и какие из них включены или выключены".
Одно из критических замечаний в адрес генетических исследований заключается в том, что они слишком сильно опирались на ДНК людей европейского происхождения. CHM13 также имеет европейское происхождение. Но исследователи использовали новую базу данных, чтобы обнаружить новые закономерности генетического разнообразия. Используя данные ДНК, собранные у тысяч людей разного происхождения, которые участвовали в более ранних исследовательских проектах, по сравнению с эталоном T2T, ученые смогли легче и точнее найти места, где люди отличаются друг от друга.
Консорциум Telomere-to-Telomere объединился с Вангом и его коллегами, чтобы сделать полные геномы 350 людей разного происхождения. Эта работа, получившая название "проект пангеном", по словам Ванга, должна показать некоторые из первых результатов в конце этого года.
Маккой и Тимп говорят, что это может занять некоторое время, но в конечном итоге исследователи могут перейти от использования старого эталонного генома к более полному и точному эталону T2T. "Это как переход на новую версию программного обеспечения", - говорит Тимп. "Не все захотят сделать это сразу". Завершенный геном человека также будет полезен исследователям, изучающим другие организмы, говорит Аманда Ларракуэнте, эволюционный генетик из Рочестерского университета в Нью-Йорке, которая не участвовала в проекте. "Меня радуют методы и инструменты, разработанные этой командой, и возможность применить их для изучения других видов".
Эйхлер и другие ученые уже планируют сделать полные геномы шимпанзе, бонобо и других человекообразных обезьян, чтобы узнать больше о том, почему люди эволюционировали иначе, чем обезьяны. "Никто не должен рассматривать это как завершение, - говорит Эйхлер, - но как трансформацию не только геномных исследований, но и клинической медицины, хотя для этого потребуются годы".
