Британские исследователи картировали мутации, возникающие при репарации ДНК после запрограммированных разрывов в процессе образования половых клеток человека, и пришли к выводу, что они появляются de novo в каждом четвертом сперматозоиде и каждой двенадцатой яйцеклетке.
Это в восемь раз больше, чем давали предыдущие оценки, в которых учитывали только влияние кроссинговера. Отчет о работе опубликован в журнале Science.
В отличие от всех остальных клеток организма, делящихся митотически, половые клетки (гаметы) образуются в ходе мейоза, в результате которого у них остается гаплоидный (непарный) набор хромосом.
На начальных этапах этого процесса происходит конъюгация гомологичных хромосом и физический взаимообмен их участками путем рекомбинации, в частности кроссинговера. Он играет ключевую роль в генетическом разнообразии популяции, которая служит субстратом для эволюции.
Рекомбинацию инициируют сотни запрограммированных двухцепочечных разрывов ДНК, которые затем «сшиваются» с другими ее участками благодаря механизмам репарации.
Это происходит в ограниченных участках генома — так называемых горячих точках, связанных с белком PRDM9. Репарации путем кроссинговера подвергаются не все такие разрывы (около 45–60 у мужчин и 80–95 у женщин), остальные репарируются гомологичной рекомбинацией.
Традиционно рекомбинация и мутации рассматриваются как разные механизмы обеспечения генетического разнообразия.
Тем не менее, получены данные о повышенной частоте однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), инсерций и делеций (инделов, менее 50 пар азотистых оснований), а также более масштабных структурных вариаций (более 50 пар оснований) в области горячих точек рекомбинации у людей.
Кроме того, мутагенность репарации ДНК была показана в немейотических системах, таких как бактерии и дрожжи. При этом происхождение, масштабы и эффекты мутаций, связанных с разрывами ДНК в ходе мейоза, у человека и других млекопитающих остаются в целом неизученными.
Роберт Хинч (Robert Hinch) с коллегами по Оксфордскому университету интегрировали имеющиеся генетические базы данных популяционного масштаба, чтобы составить карты связанных с горячими точками рекомбинации мутаций с разрешением до одной пары оснований.
Эти карты содержат данные по 341 миллиону SNP, 64 миллионам коротких инделов и полумиллиону структурных вариаций, включая de novo и крайне редкие генетические варианты.
Они позволили исследователям охарактеризовать особенности последовательностей ДНК в мутациях и сопоставить их с конкретными молекулярными процессами в горячих точках, а значит, понять масштаб мутагенеза и его связи (или их отсутствие) с отдельными механизмами репарации ДНК.
Согласно полученным данным, уровень de novo мутаций, обусловленных репарацией мейотических разрывов ДНК, составляет 0,234 (95-процентный доверительный интервал 0,180–0,288) на один мейоз у мужчин и 0,080 (95-процентный доверительный интервал 0,048–0,114) у женщин, что примерно в восемь раз превышает обусловленные только кроссинговером — 0,028 и 0,011 соответственно.
Такие мутации составляют около 0,5 процента от всего количества новых мутаций в геноме и возникают примерно в каждом четвертом сперматозоиде и каждой двенадцатой яйцеклетке.
При этом пропорция de novo мутаций, связанных с кроссинговером, примерно соответствует доле мейотических разрывов ДНК, репарируемых с его помощью, то есть возникновение этих мутаций практически не зависит от способа репарации.
По оценкам авторов работы, количество однонуклеотидных замен на один запрограммированный разрыв ДНК составляет в среднем 6,6 × 10−4 у мужчин и 2 × 10−4 у женщин.
Их частота в районе горячих точек оказалась повышена примерно в 1800 раз.
Анализ связей с конкретными процессами разрывов и репараций ДНК выявил сложную структуру мутагенеза, связанную с тремя независимыми факторами: созданием разрывов при участии белка SPO11, гипермутацией одноцепочечных ДНК и ресинтезом ДНК вне D-петли.
Природа и локализация многих таких SNP указывают, что они возникли либо при работе специализированных неточных ДНК-полимераз, либо при микрогомологичном и негомологичном соединении концов ДНК.
Запрограммированные мейотические двухцепочечные разрывы ДНК также повышали частоту коротких инделов (в 100–400 раз в аутосомах) и структурных вариаций (в 400–1000 раз в аутосомах, преимущественно инсерции, и в 1300 раз в Х-хромосоме, преимущественно делеции).
Многие из обнаруженных мутаций оказались связаны с заболеваниями.
По данным исследователей, в экзонных областях, перекрывающих горячие точки, число патогенных мутаций возрастает на 41 процент.
Во всем геноме патогенными мутациями, обусловленными мейотической репарацией ДНК, затронуты более 350 генов, связанных с разнообразными X-сцепленными и аутосомными нарушениями развития, а также неврологическими, аутоиммунными и онкологическими заболеваниями.
Таким образом, репарация мейотических разрывов ДНК служит до сих пор недооцененным, непосредственным и значительным источником de novo мутаций, за которые отвечают подверженные ошибкам механизмы репарации, которые считались непричастными или подавленными при мейозе.
Многие из этих мутаций приводят к патогенным нарушениям функций генов.
Следовательно, эволюционные преимущества генетического разнообразия, которое дает мейотическая рекомбинация ДНК, достигаются ценой существенного роста частоты мутаций и связанных с ними заболеваний, заключают авторы работы.
О механизмах защиты ДНК, которые помогают сохранять генетическую информацию, можно почитать в материале «Фаерволл, бэкап и мониторинг».