Изследователите най-накрая са дешифрирали напълно всички човешки генетични инструкции.
Декодирането на човешкия геном е обявявано няколко пъти в миналото, но това всъщност са непълни чернови.
„Този път наистина е така“, казва Евън Айхлър (Evan Eichler), генетик и изследовател от Медицинския институт "Хауърд Хюз" във Вашингтонския университет в Сиатъл.
Завършеният геном е представен в поредица от статии, публикувани онлайн на 31 март в Science and Nature Methods, които са показани най-долу в статията.
Международен екип изследователи с помощта на нова технология за секвениране на ДНК разплете повтарящите се участъци от ДНК, редактирани от по-ранна версия на генома, широко използвана като справка за насочване на биомедицинските изследвания.
Дешифрирането на тези трудни участъци добавя около 200 милиона ДНК бази, около 8 процента от генома, към книгата с инструкции на генома, съобщават изследователите в списание Science. Това по същество е цяла глава. И тя съдържа първия по рода си поглед към късите рамена на някои хромозоми, отдавна изгубените гени и важни части от хромозомите, наречени центромери – където механизмът, отговорен за деленето на ДНК, прищипнатото място на хромозомата, което създава харектерната ѝ Х-форма.
Теломерите са повтарящи се участъци от ДНК, намиращи се в краищата на хромозомите. Подобно на краищата на връзките за обувки, те могат да помогнат за предпазване на хромозомите от разплитане.
Данните от изследванията вече са налични за други учени, но "човешкият геном все още не е напълно завършен", предупреждават те.
За да разберем защо и какво ни казва този нов том от човешката генетична енциклопедия, ето по-внимателен поглед, представен от изданието Science News.
Ако сравним двама души те ще имат големи части от геномите си, които варират от много подобни до почти идентични и по-малки части, които са много различни.
Референтният геном може да помогне на изследователите да видят къде се различават хората, което може да сочи към гени, които може да участват в заболявания. Познанието на целия геном, без пропуски или скрита ДНК, може да даде на учените по-добро разбиране за човешкото здраве, болести и еволюция.
Новият пълен геном няма пропуски като предишния човешки референтен геном. Но все още има ограничения. Старият референтен геном е конгломерат от ДНК на повече от 60 души.
Нито един индивид или нито една клетка на тази планета няма този геном.
Новият геном не идва от човек. Това е геномът на пълна хидатидиформна бенка, вид тумор, който възниква, когато сперматозоидът оплоди празна яйцеклетка и хромозомите на бащата се дублират. Изследователите избират да дешифрират пълния геном от клетъчна линия, наречена CHM13, направена от един от тези необичайни тумори.
Това решение е взето по технически причини, обяснява генетикът Карън Мига (Karen Miga) от Калифорнийския университет в Санта Круз. Обикновено хората получават един набор от хромозоми от майка си и друг набор от баща си. Така че "всички ние имаме по два генома във всяка клетка."
Ако сглобяването на геном е като сглобяването на пъзел, „по същество имате два пъзела в една и съща кутия, които изглеждат много сходни един с друг“, разказва Мига, заимствайки аналогията от свой колега. Изследователите ще трябва да подредят двата пъзела, преди да ги сглобят. „Геномите от хидатидиформени бенки не представляват същото предизвикателство. Това е само един пъзел в кутията.”
Изследователите е трябвало да добавят Y хромозома от друг човек, тъй като сперматозоидите, които създават хидатидиформната бенка, носят X хромозома - нормалните човешки сперматозоиди носят или X, или Y хромозома.
Дори сглобяването на един пъзел е нелека задача. Но новите технологии, които позволяват на изследователите да поставят ДНК бази - представени с буквите A, T, C и G - в низ, могат да изплюят участъци с дължина до повече от 100 000 бази. Точно както детските пъзели са по-лесни за решаване поради по-големите и по-малко на брой парчета, тези „дълги абзаци“ улесняват сглобяването на части от генома, особено в повтарящи се части, където само няколко бази могат да разграничат едно копие от друго. По-големите парчета също позволяват на изследователите да коригират някои грешки в стария референтен геном.
Хората обикновено имат 46 хромозоми във всяка клетка, разделени на 23 двойки. Новодешифрираната ДНК се съдържа в късите рамена на хромозоми в т. нар. „акроцентрични хромозоми“, където центромерът е разположен почти в единия край на хромозомата, така че едното рамо е много по-дълго от другото. Такива са хромозомите номер 13, 14, 15, 21 и 22.
Човешки хромозоми. Положението на центрометрите е обозначени с пунктир. Кредит: Wikimedia Commons
Тези рамена може да са къси, но това не означава, че са по-малко важни. Тук са разположени кодиращите рибозомната РНК гени, които са ключови компоненти на сложни молекулярни механизми. Рибозомите четат генетичните инструкции и изграждат всички протеини, необходими да се накарат клетките и организма да работят. В генома на всеки човек има стотици копия на тези рДНК участъци, средно 315, но някои хора имат повече, а други по-малко. Те са важни, за да се гарантира, че клетките имат готови фабрики за изграждане на протеини.
Транслация. Williams & Wilkins. Instructor’s Resource CD-ROM to Accompany Porth’s Pathophysiology: Concepts of Altered Health States, Seventh Edition.- преведена от bgchaos
„Не знаехме какво да очакваме в тези участъци“, разказва Мига. „Открихме, че всяка акроцентрична хромозома и всяка рДНК на тази акроцентрична хромозома има варианти, промени в повтaрящата се единица, която е частна за тази конкретна хромозома.
Използвайки флуоресцентни маркери, Айхлер и колегите му откриват, че повтарящата се ДНК до регионите на рДНК - и може би също и в рДНК - понякога сменя местата, за да се появи на друга хромозома, съобщава екипът в Science.
„Това е като игра на столове“, обяснява Айхлер. Защо и как се случва това все още е загадка.
Пълният геном освен това съдържа 3604 гена, включително 104, които кодират протеини, които не присъстваха в стария, непълен геном. Много от тези гени са малко по-различни копия на известните по-рано гени, включително някои, които са свързани с еволюцията и развитието на мозъка, аутизма, имунните реакции, рака и сърдечно-съдовите заболявания. Наличието на карта на това къде се намират всички тези гени може да доведе до по-добро разбиране на това, което правят, и може би дори на това, което прави хората хора.
Методи за секвениране на човешкия геном. Кредит: NIH
Една от най-големите находки може би е структурата на всички човешки центромери. Центромерите, прищипнатите части, които придават на повечето хромозоми тяхната характерна X форма, са сборните точки за кинетохорите, клетъчната машина, която разделя ДНК по време на клетъчното делене. Това е едно от най-важните места в една клетка. Когато там нещо се обърка, това може да доведе до вродени дефекти, рак или смърт. Изследователите вече са дешифрирали центромерите на плодовите мухи и човешките хромозоми номер 8, X и Y, но за първи път изследователите успяват да видят останалите центромери на човека.
Структурите са предимно повторения от главата до опашка на около 171 базови двойки ДНК, известни като алфа сателити. Но в тези повторения има скрити други повторения, създавайки сложни модели, които разграничават отделния центромер на всяка хромозома, описват изследователите в Science. Познаването на структурите ще помогне на изследователите да научат повече за това как се разделят хромозомите.
Изследователите вече са дешифрирали структурата на всички човешки центромери – прищипнатите части от хромозомите (червени на това изображение на клетките на Hela, които се делят), където структури, наречени микротубули (зелени), се прикрепват и издърпват, осигурявайки правилното разпределение на ДНК в клетките. Кредит: Matthew Daniels/Wellcome Collection (CC BY 4.0)
Изследователите вече разполагат и с по-пълна карта на епигенетичните белези - химически маркери върху ДНК или свързани протеини, които могат да променят начина, по който се регулират гените. Един от епигенетичните механизми, който влияе всеобхватно на човешката физиология - метилирането на ДНК - е доста изобилен в центромерите, с изключение на една локализирана зона на намалено метилиране, наречена област на центромерен спад (centromeric dip region), съобщават в Science.
Тези спадове са на мястото, където кинетохорите хващат ДНК, откриват изследователите. Кинетохорите представляват дискообразна протеинова структура, към която се прикрепят вретеновидните влакна по време на клетъчното делене. Кинетохорите играят важна роля в сегрегацията на хромозомите за последващото разделяне на родителската клетка на две дъщерни клетки.
Етап от деленето на човешката клетка. Микротубулите са показани в зелено, хромозомите - в синьо, а кинетохорите - в червено. Кредит: Wikimedia Commons
Но все още не е ясно дали спадът в метилирането кара клетъчните машини да се сглобят на това място или дали сглобяването води до по-ниски нива на метилиране.
Изследването на моделите на ДНК-метилирането в ДНК на множество хора и сравняването им с новата справка разкрива, че спадовете се появяват на различни места в центромерите на всеки човек, въпреки че последствията от това са неизвестни.
Около половината от гените, замесени в еволюцията на големите, набръчкани мозъци на хората, се намират в множество копия в новооткритите повтарящи се части на генома. Наслояването на епигенетичните карти върху референтната информация позволява на изследователите да разберат кои от многото копия на тези гени са били включени и изключени, обяснява Ариел Гершман (Ariel Gershman), генетик от Медицинския факултет на университета "Джонс Хопкинс".
„Това ни дава малко повече представа кои от тях всъщност са важни и играят функционална роля в развитието на човешкия мозък“, коментира Гершман. „Това беше вълнуващо за нас, защото никога не е имало препратка, която да е достатъчно точна в тези [повтарящи се] региони, за да се каже кое кой ген е и кои са включени или изключени.“
Една от критиките към генетичните изследвания е, че разчитат твърде много на ДНК от хора от европейски произход. CHM13 също има европейски поизход. Но изследователите са използвали новата справка, за да открият нови модели на генетично разнообразие. Използвайки ДНК данни, събрани от хиляди хора с различен произход, които са участвали в по-ранни изследователски проекти в сравнение с референтния T2T, изследователите по-лесно и точно намират места, където хората се различават, съобщават изследователите в Science .
Техниките и инструментите, които този екип е разработил, за да извърши дешифрирането на човешкия геном ще бъдят полезни за изучаването и на други видове.
Екипът вече има планове да направи пълните геноми на шимпанзета, бонобо и други големи маймуни, за да научат повече за това как хората са еволюирали по различен начин от маймуните.
„Никой не трябва да разглежда това като край“, коментира Айхлер, „а трансформация, не само за геномни изследвания, но и за клиничната медицина, въпреки че това ще отнеме години, за да се постигне.“
Справка:
Какво направиха изследователите?
Какво бе открито?
Какво следва?
S.J. Hoyt et al. From telomere to telomere: The transcriptional and epigenetic state of human repeat elements. Science. Vol. 376, April 1, 2022, p. 57. doi: 10.1126/science.abk3112.
S. Aganezov et al. A complete reference genome improves analysis of human genetic variation. Science. Vol. 376, April 1, 2022, p. 54. doi: 10.1126/science.abl3533.
S. Nurk et al.The complete sequence of a human genome. Science. Vol. 376, April 1, 2022, p. 44. doi: 10.1126/science.abj6987.
N. Altemose et al. Complete genomic and epigenetic maps of human centromeres. Science. Vol. 376, April 1, 2022, p. 56. doi: 10.1126/science.abl4178.
M.R. Vollger et al.Segmental duplications and their variation in a complete human genome. Science. Vol. 376, April 1, 2022, p. 55. doi: 10.1126/science.abj6965.
A. Gershman et al. Epigenetic patterns in a complete human genome. Science. Vol. 376, April 1, 2022, p. 58. doi: 10.1126/science.abj5089.
A.M. McCartney et al.Chasing perfection: validation and polishing strategies for telomere-to-telomere genome assemblies.Nature Methods. Published online March 31, 2022. doi: 10.1038/s41592-022-01440-3.
G. Formenti et al. Merfin: improved variant filtering, assembly evaluation and polishing via k-mer validation. Nature Methods. Published online March 31, 2022. doi: 10.1038/s41592-022-01445-y.
