Документ с описанием исследования группы ученых Пенсильванского университета доступен в Интернете в журнале Nucleic Acids Research.
«В большинстве случаев мы думаем о ДНК как о классической двойной спирали; эта основная форма называется« B-ДНК », – сказал Вильфрид Гиблет, соавтор статьи, в то время аспирант Пенсильванского университета. исследований, а теперь доктор наук в Национальном институте рака. "Но до 13% генома человека могут складываться в различные конформации, называемые не-B-ДНК.“ Мы хотели изучить, какую роль, если таковая имела место, эта ДНК, не относящаяся к группе B, играла в вариациях, которые мы видим в частоте мутаций между различными регионами генома."
Не-B ДНК может складываться в различные конформации в зависимости от лежащей в основе последовательности ДНК. Примеры включают G-квадруплексы, Z-ДНК, H-ДНК, скользящие цепи и различные другие конформации.
Недавние исследования показали, что ДНК, отличная от B, играет важную роль в клеточных процессах, включая репликацию генома и транскрипцию ДНК в РНК, и что мутации в последовательностях, отличных от B, связаны с генетическими заболеваниями.
«В предыдущем исследовании мы показали, что в искусственной системе инструмента для секвенирования ДНК, который использует процессы копирования ДНК, аналогичные клеточным, частота ошибок была выше в ДНК, не относящейся к B, во время полимеризации», – сказала Катерина Макова, Verne M. Уилламан, заведующий кафедрой наук о жизни Пенсильванского университета и один из руководителей исследовательской группы. «Мы думаем, что это связано с тем, что ферменту, который копирует ДНК во время секвенирования, труднее читать через ДНК, отличную от B. Здесь мы хотели посмотреть, существует ли подобное явление в живых клетках."
Команда сравнила частоту мутаций между B- и не-B ДНК в двух разных временных масштабах. Чтобы посмотреть на относительно недавние изменения, они использовали существующую базу данных последовательностей ДНК человека, чтобы идентифицировать отдельные нуклеотиды – буквы в алфавите ДНК, – которые у разных людей различались.
Эти «однонуклеотидные полиморфизмы» (SNP) представляют собой места в геноме человека, где в какой-то момент в прошлом произошла мутация по крайней мере у одного человека. Чтобы посмотреть на более древние изменения, команда также сравнила последовательность генома человека с геномом орангутана.
Они также исследовали несколько пространственных масштабов вдоль генома человека, чтобы проверить, влияет ли ДНК, отличная от B, на скорость мутаций в нуклеотидах, соседних с ней и дальше.
«Чтобы определить различия в частоте мутаций между B- и не-B ДНК, мы использовали статистические инструменты из« функционального анализа данных », в котором мы сравниваем данные в виде кривых, а не рассматриваем отдельные точки данных», – сказала Марция А. Кремона, соавтор статьи, научный сотрудник Пенсильванского университета на момент проведения исследования, а в настоящее время – доцент Университета Лаваль в Квебеке, Канада. "Эти методы дают нам статистические возможности для сравнения частоты мутаций для различных типов ДНК, не относящейся к B, и контрольных образцов B-ДНК."
Для большинства типов ДНК, не относящейся к группе B, команда обнаружила повышенную частоту мутаций. Различий было достаточно, чтобы частота мутаций ДНК, отличных от B, повлияла на региональные вариации в их непосредственном окружении. Эти различия также помогли объяснить большую часть вариаций, которые можно увидеть вдоль генома в масштабе миллионов нуклеотидов.
«Когда мы смотрим на все известные факторы, которые влияют на региональные различия в скорости мутаций в геноме, наибольший вклад вносит не-B ДНК», – сказала Франческа Чиаромонте, председатель Huck по статистике наук о жизни в Пенсильвании и один из руководителей. исследовательской группы. "Мы долгое время изучали региональные различия в частоте мутаций с самых разных точек зрения. Тот факт, что ДНК, не относящаяся к группе B, вносит большой вклад в эту вариацию, является важным открытием."
«Наши результаты имеют решающее медицинское значение», – сказала Кристин Экерт, профессор патологии, биохимии и молекулярной биологии Медицинского колледжа штата Пенсильвания, научный сотрудник Института рака штата Пенсильвания, автор статьи и давний соавтор команды. "Например, генетики человека должны учитывать способность локуса образовывать ДНК, отличную от B, при оценке генетических вариантов-кандидатов на генетические заболевания человека. Наши текущие и будущие исследования направлены на раскрытие механистической основы повышенного уровня мутаций в ДНК, не относящейся к группе B."
Результаты также имеют эволюционное значение.
«Мы знаем, что естественный отбор может влиять на вариации в геноме, поэтому для этого исследования мы рассматривали только те области генома, которые, по нашему мнению, не находятся под влиянием отбора», – сказал И-Фей Хуанг, доцент кафедры биологии в Университете штата Пенсильвания. и один из руководителей исследовательской группы. «Это позволяет нам установить базовую частоту мутаций для каждого типа ДНК, отличной от B, которую в будущем мы потенциально можем использовать для выявления признаков естественного отбора в этих последовательностях."
Из-за повышенной скорости мутаций последовательности ДНК, не относящиеся к B, могут быть важным источником генетической изменчивости, которая является основным источником эволюционных изменений.
«Обычно считается, что мутации настолько редки, что, когда мы видим одну и ту же мутацию у разных людей, предполагается, что у этих людей был общий предок, который передал мутацию им обоим», – сказала Макова, исследователь из Института рака штата Пенсильвания. "Но возможно, что скорость мутаций настолько высока в некоторых из этих областей ДНК, не относящихся к B, что одна и та же мутация может возникать независимо у нескольких разных людей. Если это правда, это изменит то, как мы думаем об эволюции."