В новой статье в Science исландские ученые рассмотрели связь двух основных факторов генетического разнообразия людей — перемешивания уже имеющихся вариантов генов в ходе формирования половых клеток и появление новых мутаций.

Используя точную генетическую карту, они разметили горячие точки на хромосомах, в которых обмен генетическим материалом между гомологичными хромосомами идет особенно интенсивно.

Это позволило выяснить, что частота новых мутаций вокруг мест обмена примерно в 36 раз выше предыдущих оценок и в 50 раз выше, чем в среднем по геному.

Также это позволило обнаружить варианты генов — возможных регуляторов рекомбинации, связанных с ее интенсивностью и положением горячих точек.

Чтобы обеспечить генетическое разнообразие потомства при формировании половых клеток родителей происходит кроссинговер — обмен участками между парами гомологичных хромосом. Места обмена распределены по геному не равномерно, а участки, в которых он идет особенно интенсивно, называют горячими точками рекомбинации.

Высокоточную карту таких мест и сделали Бьярни Хальдорсон (Bjarni Halldorsson) и его коллеги из исландской компании deCODE, специализирующейся на анализе человеческого генома. В целом, сцепившиеся друг с другом в местах кроссинговера гомологичные хромосомы можно разглядеть даже под обычным микроскопом, но аккуратно разметить эти участки на последовательности ДНК — не самая простая задача. Для этого нужны данные от отца, матери и самого ребенка, а для поиска тонких закономерностей в распределении кроссинговеров таких родственных троек необходимо набрать довольно много.

Авторы статьи решили эту проблему с помощью ДНК-микрочипирования почти половины населения Исландии (около 150 из 350 тысяч человек) и уточняющего полногеномного секвенирования для 28 тысяч из них. Хорошее среднее разрешение карты — 682 нуклеотида — позволило авторам «засечь» даже сложные кроссинговеры, при которых обмен происходит лишь на небольшом участке ДНК.

При анализе карты оказалось, что около 70 процентов кроссинговеров сконцентрированы в горячих точках, занимающих меньше двух процентов от длины всего генома.

Чтобы “поймать” кроссинговеры, исследователи сравнивали гомологичные хромосомы родителя и ребенка. Если на хромосоме ребенка, унаследованной от мамы, находится пара участков-маркеров, располагавшихся у матери на разных хромосомах (синий и красный), значит кроссинговер произошел где-то между ними. Чем ближе удается найти находятся маркеры, тем выше точность положения кроссинговера. То же самое проводилось и с парой отец-ребенок. / Halldorsson et al. / Science, 2019

Другой способ повысить разнообразие — новые мутации, — оказался по результатам исследования отчасти связан с первым. Совместив карту кроссинговеров и места возникновения новых мутаций у детей, исследователи обнаружили, что рядом с кроссинговерами мутации встречаются примерно в 50 раз чаще чем в среднем по геному. Этот эффект может возникать из-за некачественной починки двойных разрывов в ДНК, неизбежно происходящих в ходе кроссинговера.

В предыдущем исследовании той же лаборатории, проведенном три года назад на гораздо более скромном наборе данных с маленьким разрешением в 201 тысяч нуклеотидов связь кроссинговера и новых мутаций была видна гораздо хуже. В тот раз обнаружили лишь 1,4-кратное увеличение частот мутаций, то есть в 36 раз меньше, чем в новом исследовании.

Частота мутаций убывает при увеличении расстояния от места кроссинговера. Несмотря на общую тенденцию, точные цифры зависят от того, где кроссинговер произошел — в клетках отца или матери. / Halldorsson et al. / Science, 2019

Следующим шагом исследования стало выяснение того, от чего зависит количество и положение кроссинговеров. Известно, что их формирование могут спровоцировать двухцепочеченые разрывы в ДНК, в свою очередь инициируемые ДНК-связывающим ферментом PRDM9. Сравнение данных Хальдорсона с другими работами подтвердили эту связь: кроссинговеры оказались перепредставлены рядом с размеченными на других данных местами двухцепочечных разрывов и сайтами связывания PRDM9 в геноме.

Кроме того, авторы провели поиск полногеномных ассоциаций, который обнаружил 35 участков генома, разные варианты которых связаны с расположением и интенсивностью кроссинговеров, причем 26 из них оказались новыми для науки. Помимо разных вариантов гена PRDM9 среди них оказались и другие гены, например участвующие в формировании синаптонемного комплекса. Найденные участки помогут лучше разобраться в регуляции рекомбинации в половых клетках.

Точность созданной исследователями карты позволила более аккуратно оценить уровень связанных с кроссинговером мутаций — раньше считали, что мутационный эффект кроссинговера сильно меньше. Чтобы уменьшить количество возможных мутаций клетка использует механизмы для починки ДНК. Недавно ученые обнаружили, что внимательно изучив эти механизмы и научившись точно предсказывать их результат, можно целенаправленно делать разрывы в ДНК с вредными мутациями так, чтобы клетка самостоятельно смогла их исправить.