(PhysOrg.com) – Ученые изобрели методы исследования повторяющихся ландшафтов человеческого генома, где последовательности ДНК очень идентичны и сильно дублируются. Эти достижения, о которых сегодня сообщает журнал Science, позволяют выявить тонкие, но важные различия между людьми в количестве и содержании повторяющихся сегментов ДНК.
Эти вариации количества копий частично объясняют нормальное разнообразие людей. Вариации числа копий также могут быть причиной того, что некоторые люди, а не другие, имеют определенные расстройства или предрасположенность к заболеваниям, а также могут определять, насколько серьезно они затронуты.
Примерно год назад найти и подсчитать количество дублированных копий последовательностей ДНК было практически невозможно. Чем больше копий дублированного гена присутствует, тем сложнее их точно оценить.
"Эти трудности привели к непониманию истинной степени вариабельности числа копий человека, " сказал доктор. Эван Э. Эйхлер, профессор кафедры генома Вашингтонского университета (Вашингтон) и старший автор научной статьи, "Наиболее динамичные и вариабельные гены часто исключаются из полногеномных исследований." Эти трудноизучаемые гены также являются одними из наиболее интересных из-за их предполагаемого вклада в эволюцию человека, развитие мозга, метаболизм и иммунитет к болезням.
Исследователи из лаборатории Эйхлера разработали несколько аналитических и вычислительных методов для преодоления препятствий при изучении многокопийных генов. Ведущие авторы исследования – Питер Х. Судмант и Джейкоб О. Китцман, оба аспиранта факультета геномных наук Университета штата Вашингтон.
Работая с коллегами из проекта 1000 Genomes Project и Agilent Technologies, группа UW использовала новые методы для глубокого исследования и сравнения геномов 159 человек. При оценке полных геномов этих людей исследователи смогли точно проанализировать ранее трудноизлечимые дублированные гены и семейства генов.
Исследователи продемонстрировали, что эти методы могут правильно оценивать абсолютное количество копий сегментов размером от 1900 пар оснований ДНК и могут подсчитывать количество копий в диапазоне от 0 до 48. Геном человека состоит примерно из 3 миллиардов пар оснований ДНК. Каждая пара состоит из двух связанных молекул, называемых нуклеотидами, основной структурной единицей ДНК.
"Мы определили 4.1 миллион уникальных нуклеотидных позиций, информативных для различения конкретных копий," авторы сообщили. Исследователи взяли эту информацию для генотипирования количества копий и содержания генов, которые были продублированы в или более разных положениях генома, тем самым получив возможность функционировать самостоятельно. Эти дублированные гены обнаруживают изменения, произошедшие в процессе эволюции.
Данные позволили исследователям идентифицировать дублированные гены, специфичные для людей, по сравнению с обезьянами, такими как гориллы, орангутаны и шимпанзе. Исследователи заметили, что эти дупликации произошли в генах, связанных с развитием мозга.
К ним относятся гены, участвующие в росте и разветвлении связей между клетками головного мозга, в аномально большом или маленьком размере головы, в определенном рецепторе дофамина (сигнал вознаграждения в головном мозге), в зрительно-пространственном и социальном дефиците, в снижении выраженности мышечных нарушений позвоночника. атрофия, умственная отсталость и эпилепсия.
Исследователи обнаружили, что вариации числа копий встречаются только в 7-9% генов человека. Большинство наших генов стандартны: две копии. Исследователи выяснили, что даже среди генов с переменным числом копий 80 процентов из них варьируются от 0 до 5 копий.
"Крайняя вариабельность генов," исследователи отметили, "ограничивается только несколькими семействами генов." В этом исследовании они определили 56 наиболее вариабельных семейств генов. Среднее количество копий варьировалось от 5 до примерно 368.
"Эти гены были значительно обогащены сегментарной дупликацией," исследователи отметили. Сегментарные дупликации – это участки, которые изначально были идентифицированы в проекте «Геном человека» как длинные повторяющиеся блоки генома.
Исследователи сообщают об обнаружении около 44 "скрытый" члены семейств дублированных генов, никогда ранее не идентифицированные в эталонной модели генома человека.
"Отсутствующие члены этих семейств генов," исследователи предложили, "должны быть нацелены на завершение последовательности, чтобы более точно отражать архитектуру и разнообразие генома человека."
В то время как дублирование сегментов генома, по-видимому, привело ко многим качествам, которые отличают людей от других видов приматов, области генома, в которых дупликации способствуют повторяющимся перестройкам, также были связаны с изнурительными заболеваниями, такими как умственная отсталость, шизофрения и аутизм.
Исследователи предполагают, "Крайние вариации в результате дупликации могут способствовать нестабильности генома, связанной с заболеванием."
В целом результаты исследования показывают, что теперь ученые могут использовать недавно разработанные методы для изучения некоторых из самых сложных генетических областей генома человека. Тем не менее, часть генома остается непроницаемой. По словам авторов, около 28 крупных участков генома человека имеют такую необычайную сложность, что пока невозможно интерпретировать лежащую в основе модель генетического разнообразия.
Несмотря на это ограничение, подходы, протестированные в исследовании, обещают улучшить понимание того, как изменение числа копий влияет на здоровье и болезни человека.
"Наш подход," исследователи пришли к выводу," делает многие из сильно дублированных областей человеческого генома ?? и лежащие в них более 1000 ранее недоступных человеческих генов, доступных для генетических исследований ассоциации болезней."