Центри хромосом розкривають стародавню ДНК

Генетики, які досліджують «серце» людського геному, виявили в ньому великі шматки ДНК неандертальців та інших стародавніх ДНК. Отримані результати відкривають нові способи вивчення як хромосом, які поводяться під час ділення клітин, так і того, як вони змінилися в ході еволюції людини.

Хромосоми - це структури в ядрі еукаріотичної клітини, в яких зосереджена велика частина спадкової інформації. Центроміри знаходяться посередині хромосом і закріплює волокна, які розділяють хромосоми, коли клітини діляться, що означає, що вони дійсно важливі для розуміння того, що відбувається, коли ділення клітини відбувається неправильно, що призводить до раку або генетичних дефектів.

Але ДНК центромер містить багато повторюваних послідовностей, і вчені не змогли правильно нанести на карту цей регіон.

«Це серце темряви геному, ми попереджаємо студентів не ходити туди», - сказав Чарльз Ленглі, професор еволюції та екології в Каліфорнійському університеті в Девісі. Ленглі - старший автор статті, що описує роботу, опубліковану в журналі eLife.

Він і його колеги дійшли висновку, що можуть існувати гаплотипи - групи генів, які успадковуються разом в еволюції людини - які простягаються на величезні частини наших геномів, і навіть по всіх центромерах.

Це пов'язано з тим, що центромери не беруть участі в так званому процесі «кросовера», який відбувається, коли клітини діляться, утворюючи сперму або яйцеклітину. Під час кросовера парні хромосоми шикуються поруч один з одним, і їх кінцівки перетинаються, іноді розрізаючи і зрощуючи ДНК між ними, так що гени можуть бути перетасовані. Але кросовери скорочуються до нуля поблизу центромер. Без цієї перестановки в кожному поколінні центромери могли б зберегти дуже стародавні ділянки ДНК без змін.

Дослідники шукали успадковані однонуклеотидні поліморфізми - успадковані зміни в одній букві ДНК - які дозволили б їм картувати гаплотипи в центромері. Спочатку вони показали, що можуть ідентифікувати центромірні гаплотипи, або «кенаби», у плодових мух дрозофіли.

Цей висновок має два значення. По-перше, якщо дослідники можуть відрізняти хромосоми один від одного за їхніми центромерами, вони можуть почати проводити функціональні тести, щоб визначити, чи впливають ці відмінності на те, який фрагмент ДНК спадкується. Наприклад, під час утворення яйцеклітини чотири хроматиди утворюються з двох хромосом, але тільки одна потрапляє в яйцеклітину. Отже, вчені хочуть знати: чи передаються певні гаплотипи центромер частіше? І чи є ймовірність того, що деякі гаплотипи будуть залучені в помилки?

По-друге, дослідники можуть використовувати центромери, щоб подивитися на походження і еволюційне походження.

Звертаючись до людської ДНК, вчені розглянули послідовності центромер з проекту 1000 геномів, загальнодоступного каталогу людських генів. Вони виявили гаплотипи, що охоплюють центромери у всіх хромосомах людини.

У Х-хромосомі в цих послідовностях геному вони виявили кілька основних центромірних гаплотипів, що представляють родовід, що розтягнувся на півмільйона років. У геномі в цілому велика частина різноманітності спостерігається серед африканських геномів, що узгоджується з недавнім поширенням людей з африканського континенту. Одна з найстаріших гаплотипових ліній центромер не належала цим раннім емігрантам.

В 11-й хромосомі вони виявили сильно відрізняючі гаплотипи неандертальської ДНК в неафриканських геномах. Ці гаплотипи розходилися від 700 000 до мільйона років тому, приблизно в той час, коли предки неандертальців відокремлювалися від інших людських предків. Центромера хромосоми 12 також містить ще більш стародавній архаїчний гаплотип, який, мабуть, походить від невідомого родича.

Неандертальська ДНК на хромосомі 11 може впливати на відмінності в нашому нюху і донині. Клітини, які реагують на смак і запах, несуть рецептори запахів, викликані специфічними хімічними сигнатурами. Люди мають близько 400 різних генів для рецепторів запахів. Тридцять чотири з цих генів знаходяться в межах гаплотипу центромера хромосоми 11. Центромірні гаплотипи неандертальців і другий стародавній гаплотип становлять близько половини варіації цих білків-рецепторів запахів.

З інших робіт відомо, що генетичні варіації в рецепторах одоранту можуть впливати на почуття смаку і нюху, але функціональні ефекти варіацій, виявлених у цьому дослідженні, ще належить виявити, а їх вплив на смак і запах проаналізувати.