Генетики, исследующие темное сердце человеческого генома, обнаружили большие фрагменты неандертальской и других древних ДНК. Полученные результаты открывают новые возможности для изучения поведения хромосом во время клеточного деления и того, как они изменились в процессе эволюции человека.
Центромеры сидят в середине хромосом, втянутой «талии» на изображении хромосомы из учебника биологии. Центромеры закрепляют волокна, которые разделяют хромосомы при делении клеток, а это означает, что они действительно важны для понимания того, что происходит, когда деление клеток идет неправильно, что приводит к раку или генетическим дефектам.
Но ДНК центромер содержит множество повторяющихся последовательностей, и ученые не смогли должным образом картировать этот участок.
«Это сердце тьмы генома, мы предупреждаем студентов не заходить туда», - сказал Чарльз Лэнгли, профессор эволюции и экологии Калифорнийского университета в Дэвисе. Лэнгли является старшим автором статьи с описанием работы, опубликованной в следующем выпуске журнала eLife.
Лэнгли и его коллеги Саша Лэнгли и Гэри Карпен из Лаборатории Лоуренса в Беркли и Карен Мига из Калифорнийского университета в Санта-Круз пришли к выводу, что могут существовать гаплотипы - группы генов, которые вместе наследуются в ходе эволюции человека - которые охватывают обширные части нашего организма. геномы и даже через центромеру.
Это потому, что центромера не участвует в процессе «кроссовера», который происходит, когда клетки делятся с образованием сперматозоидов или яйцеклеток. Во время кроссинговера парные хромосомы выстраиваются рядом друг с другом, а их конечности пересекаются, иногда разрезая и сращивая ДНК между собой, чтобы можно было перетасовать гены. Но кроссоверы падают до нуля вблизи центромер. Без этой перетасовки в каждом поколении центромеры могли бы сохранить нетронутыми очень древние участки ДНК.
Исследователи искали унаследованные однонуклеотидные полиморфизмы - унаследованные изменения в одной букве ДНК - которые позволили бы им картировать гаплотипы в центромере.
Они впервые показали, что могут идентифицировать центромерные гаплотипы, или «cenhaps», у плодовых мушек Drosophila.
Это открытие имеет два следствия, сказал Лэнгли. Во-первых, если исследователи смогут отличать хромосомы друг от друга по их центромерам, они смогут начать проводить функциональные тесты, чтобы увидеть, влияют ли эти различия на то, какая часть ДНК наследуется. Например, при формировании яйцеклетки из двух хромосом образуются четыре хроматиды, но в яйцеклетку попадает только одна. Итак, ученые хотят знать: передаются ли определенные центромерные гаплотипы чаще? И какие гаплотипы чаще вызывают ошибки?
Во-вторых, исследователи могут использовать центромеры для изучения происхождения и эволюционного происхождения.
Обращаясь к ДНК человека, исследователи изучили последовательности центромер из проекта «1000 геномов», общедоступного каталога человеческих вариаций. Они обнаружили гаплотипы, охватывающие центромеры во всех хромосомах человека.
Гаплотипы полумиллионной давности
В Х-хромосоме в этих последовательностях генома они обнаружили несколько основных центромерных гаплотипов, представляющих линии, насчитывающие полмиллиона лет назад. В геноме в целом большая часть разнообразия наблюдается среди африканских геномов, что соответствует более позднему распространению людей с африканского континента. Одна из старейших линий центромерных гаплотипов не принадлежала этим ранним эмигрантам.
В хромосоме 11 они обнаружили сильно отличающиеся гаплотипы неандертальской ДНК в неафриканских геномах. Эти гаплотипы разошлись от 700 000 до миллиона лет назад, примерно в то время, когда предки неандертальцев отделились от других предков человека. Центромера хромосомы 12 также содержит еще более древний архаичный гаплотип, который, по-видимому, происходит от неизвестного родственника.
Эта ДНК неандертальца на хромосоме 11 может влиять на различия в нашем обонянии и по сей день. Клетки, которые реагируют на вкус и запах, несут рецепторы запаха, активируемые специфическими химическими сигнатурами. У человека имеется около 400 различных генов рецепторов запахов. Тридцать четыре из этих генов находятся в гаплотипе центромеры хромосомы 11. Неандертальские центромерные гаплотипы и второй древний гаплотип составляют примерно половину вариаций этих белков рецепторов запахов.
Из работы других известно, что генетическая изменчивость рецепторов запаха может влиять на чувство вкуса и запаха, но функциональные эффекты вариаций, обнаруженных в этом исследовании, еще предстоит обнаружить, и их влияние на вкус и запах еще предстоит проанализировать.
Работа поддержана грантами Национального института здоровья.