20 років після Проєкту геному людини науковці отримали нову, детальнішу картину генетичної різноманітності людини – завдяки 64 новим референтним (еталонним) геномам. Вони охоплюють структурні варіації, які неможливо було виявити з допомогою попередніх технік. Так з’явилася можливість детально порівнювати різні популяції людей, а також виявляти, яка частка генів людини походить від кожного з батьків, розповідають науковці в журналі «Science».
Зображення: Ktsimage/ thinkstock.
Код життя – це те, що нас робить людьми: ДНК в клітинах організму визначає наш вигляд, наш стан здоров’я і частково наші духовні здібності. Прочитати цей код ученим вдалося 20 років тому в Проєкті геному людини. Тоді з фрагментів різних ДНК-зразків дослідники зіставили перший, ще не повний референтний ген людини. Відтоді вчені розшифрували безліч інших геномів, щоб виявити гени хвороб, відмінності між індивідами та популяціями.
Проблема полягає ось у чому: за такого способу спочатку зчитують короткі фрагменти ДНК, завдовшки близько ста основ, а потім їх зіставляють з допомогою референтного геному. Так практично неможливо виявити повторювані послідовності основ або довші структурні відмінності. Лише недавно науковці розробили такі методи секвенування, з якими можна відтворювати довші фрагменти ДНК.
«Розшифрування першого людського геному було важливим кроком вперед, але той геном був неповний, – сказав Чарльз Лі (Charles Lee) з Лаборатрії геномної медицини імені Джексона. – Окрім варіацій окремих основ, ми сьогодні знаємо, що генетична відмінність між індивідами також полягає і в структурних варіаціях».
«Ці варіації впливають на генну функцію, можуть пояснювати розвиток хвороб, а також різну ефективність медикаментів, – пояснив колега Чарльза Лі Цюй Джу (Qihui Zhu). – Аби дізнатися, як відрізняються різні індивіди та різні популяції, необхідно впроваджувати ефективну геномну медицину».
Важливий для цього крок зробило Об’єднання науковців на чолі з Петером Ебертом (Peter Ebert) з Дюссельдорфського університету імені Гайнріха Гейне. Науковці застосовували нові методи секвенування, щоб створити точніші референтні гени людини.
Походження зразків ДНК, використаних для еталонних геномів. Зображення: David Porubsky/ University of Washington.
ДНК вчені отримали від 32 людей з різних куточків Землі: піддослідні належали до 25 етнічних груп Африки, Північної Америки, Східної та Південної Азії, а також Європи. У своєму проєкті вчені піддали геном так званому Long-Read-секвенуванню. Водночас в кожної особи дослідники виявили частки геному, успадковані від батька та матері. Адже в кожній клітині ми маємо 23 пари хромосом і в кожній парі одна хромосома походить від батька, інша – від матері.
«Для кожної людини, що взяла участь у дослідженні, ми ідентифікували не один, а два геноми: один для кожного набору хромосом», – пояснив Ян Корбель (Jan Korbel) з Європейської лабораторії молекулярної біології. – Досі ми не могли розрізнити, чи генетичні варіанти походять з одного, чи з іншого набору хромосом. Але завдяки успішній роботі Об’єднання ми змогли розв’язати цю проблему».
Результатом стали 64 референтні геноми, які вперше дають змогу детально глянути на відмінності між різними популяціями, індивідами і навіть між генетичними частками всередині клітин однієї особи. «З цими новими референційними даними ми можемо досліджувати генетичні відмінності в глобальному масштабі з безпрецедентною точністю», – сказав Еберт.
Перше порівняння референтних геномів вже виявило понад 107 500 структурних варіацій, про 68 % з яких раніше не знали. Крім того, науковці ідентифікували 316 інверсій, фрагментів з перевернутою послідовністю основ, а ще 2,3 мільйона місць, на яких ДНК-частинок немає або вони зміщені. Крім того, йдеться про 15,8 мільйона поодиноких варіантів нуклеотидів (SNV) – позицій ДНК, де в результаті мутації одну основу заміняє інша.
Референтний геном також підтверджує, що Африка – колиска людства. Адже там геноми найбільше подібні своїми структурними варіаціями, що вказує на вихід зі спільного первинного генетичного джерела. Водночас більшість генів, які більше ніде не зустрічаються, присутні в африканських популяціях.
«Наші результати засвідчують, що геном з Африки – найглибший резервуар ще не досліджених генетичних структурних варіацій», – констатують Еберт та його колеги. На відміну від нього, на геномах більшості інших популяцій позначилася тривала історію міграції та змішування. Особливо різноманітні комбінації структурних варіацій виявили в геномі афроамериканців. «Найімовірніше, це результат трансатлантичної работоргівлі та міграцій колоніальної епохи», – пояснили вчені.
Цікаво також: структурні варіації розташовані в людському геномі не випадково – вони накопичуються в певних місцях, утворюючи так звані hot-spots. Ці «гарячі точки» найчастіше розміщуються на кінцях хромосом, з’ясували науковці. Із 278 зараз виявлених гарячих точок структурних варіацій майже третина віддалена від кінця хромосоми на менше ніж 5 мільйонів пар основ.
Друге місце концентрації хот-спотів Еберт та його команда виявили у тих регіонах хромосом, що мають особливо багато генів та відрізняються в кожної людини. Так, наприклад, три такі точки розташовані в головному комплексі гістосумісності – групі імунних генів, що важливі, зокрема, для вибору партнера серед ссавців.
Дослідження та порівняльні аналізи референтних генів тільки почалися. Але науковці вже певні, що вони ознаменують нову еру в дослідженнях геному. «Ці геноми зумовлять нову хвилю наукових відкриттів у сфері біології людського геному та взаємозв’язку між генетичними варіаціями й недугами», – сказав Бернардо Родріґез-Мартін (Bernardo Rodriguez-Martin) з Європейської лабораторії молекулярної біології.
«В організації геному ми виявили суттєві відмінності, на які досі вчені не звертали уваги, – доповнив провідний автор Еван Айхлер (Evan Eichler) з Вашингтонського університету. – Розуміння цих відмінностей покращить нашу здатність пов’язувати генетичні відкриття зі станом здоров’я та хворобами, особливо в межах групи, а цим традиційно дослідники геному нехтували».
Nadja Podbregar
64 neue Referenzgenome der Menschheit
Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL), Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, 26/02/2021, Science 2021; doi: 10.1126/science.abf7117
Зреферувала С.К.