Изучение заиканий: что 900 000 геномов рассказывают нам о росте повторов ДНК

Учёные интенсивно изучают генетику болезни Хантингтона (БХ) с момента открытия ответственного гена в 1993 году. В отличие от многих других генетических заболеваний, где изменение одной или нескольких букв ДНК может быть достаточным для возникновения болезни, БХ является результатом экспансии трёхбуквенной последовательности (CAG), которая повторяется снова и снова в гене хантингтина (HTTHTT — одна из аббревиатур для гена, вызывающего болезнь Гентингтона. Этот же ген также называют HD и IT-15.). Когда это генетическое «заикание» становится слишком длинным, обычно 40 или более CAG, оно запускает БХ. Совсем недавно учёные обнаружили, что CAG-повторCAG-повтор — участок ДНК в начале гена БГ, который содержит последовательность CAG, повторяющуюся много раз, и является аномально длинным у людей, у которых развивается БГ. может продолжать расширяться в клетках людей на протяжении всей жизни. Этот продолжающийся рост CAG-заикания HTTHTT — одна из аббревиатур для гена, вызывающего болезнь Гентингтона. Этот же ген также называют HD и IT-15., вероятно, является ключевым этапом в определении того, когда начинается заболевание.

Но HTTHTT — одна из аббревиатур для гена, вызывающего болезнь Гентингтона. Этот же ген также называют HD и IT-15. — не единственный ген, содержащий нестабильное генетическое заикание. Команда под руководством доктора По-Ру Ло из Гарвардского университета проанализировала геномы более 900 000 человек, чтобы исследовать поведение других повторов ДНК. Их результаты показали, что экспансии повторов широко распространены и могут контролироваться схожими молекулярными путями.

Распространены ли генетические заикания?

Хотя учёные знают, что CAG-повторCAG-повтор — участок ДНК в начале гена БГ, который содержит последовательность CAG, повторяющуюся много раз, и является аномально длинным у людей, у которых развивается БГ. в HTTHTT — одна из аббревиатур для гена, вызывающего болезнь Гентингтона. Этот же ген также называют HD и IT-15. может расти в течение жизни человека и изменять число между поколениями, меньше известно о том, является ли это обычным явлением для других повторов. ГеномГеном — название, обозначающее все гены, которые содержат полные инструкции по созданию человека или другого организма. человека содержит сотни тысяч коротких повторяющихся последовательностей ДНК. Растут ли (или сокращаются) эти повторы также с возрастом или между поколениями? Если да, могут ли они быть связаны с другими заболеваниями человека? Может ли существовать общий лежащий в основе клеточный процесс, который функционирует неправильно и вызывает эти генетические заикания? Это вопросы, которые доктор Ло и его коллеги решили исследовать.

Поиск повторов среди почти миллиона геномов

Измерение генетических заиканий звучит просто в принципе, но точное определение повторов у почти миллиона человек технически чрезвычайно сложно. Представьте, что вы пытаетесь подсчитать, сколько раз одно и то же слово появляется в предложении вроде «the the the the the the». Теперь представьте, что шрифт имеет размер 0,0001 (молекулярный шрифт!). Если одно «the» добавлено или удалено, удивительно трудно определить, где это произошло или сколько именно копий присутствует.

Изучение ДНК требует от исследователей подготовки её с использованием серии химических реакций, включая реакции с участием ферментов, которые создают множество копий ДНК. Этот процесс создаёт ещё одну проблему: копирующие ферменты обычно добавляют дополнительные повторы, которых не было в исходном образце. Чтобы преодолеть эти трудности, доктор Ло и его команда разработали сложные вычислительные и статистические методы для выявления и фильтрации этих «ложных» повторов. Затем они использовали оставшийся образец для оценки длины повторов примерно в 350 000 местах генома.

CAG-повторы по всему геному

Команда начала с поиска CAG-повторов. Хотя существует много других типов повторяющейся ДНК, уже известно, что CAG-повторы вызывают несколько заболеваний, включая БХ. Исследователи выявили 18 мест, где у некоторых людей были необычно длинные CAG-повторы, что, возможно, указывает на произошедшую экспансию. Одной из наиболее распространённых экспансий была экспансия в гене под названием TCF4, где расширенный повтор был обнаружен почти у 9% участников исследования. Обнаружение длинного повтора не обязательно означает, что он вызывает заболевание, но это показывает, что CAG-повторы склонны к росту. Команда также обнаружила 15 мест, где CAG-повторы изменяли длину между поколениями, подобно БХ. Эти результаты предполагают, что генетическое заикание, наблюдаемое при БХ, может быть частью более широкой генетической закономерности.

Установив, что некоторые CAG-повторы длиннее ожидаемых и могут удлиняться между поколениями, следующим важным вопросом было, растут ли какие-либо из них в течение жизни человека. Это ключевой вопрос, потому что считается, что рост CAG-повторов с течением времени способствует началу БХ. Из 15 CAG-повторов, которые они исследовали, 4 показали эту «возрастзависимую» экспансию. Одна находка была особенно неожиданной: люди, несущие расширенные CAG-повторы в гене под названием GLS, имели примерно в 14 раз повышенный риск тяжёлого заболевания почек. Это предполагает, что экспансии повторов могут способствовать большему числу заболеваний, чем мы в настоящее время знаем, и мы только начинаем их обнаруживать, потому что повторы трудно заметить в ДНК.

Почему генетические заикания растут?

Представьте сломанный принтер, который с трудом справляется с предложениями, содержащими повторяющиеся слова («can can can can can can»). Каждый раз, когда предложение перепечатывается, добавляются дополнительные «can» — CAG-повторы ведут себя аналогично. Поскольку каждый CAG выглядит идентично следующему и предыдущему, клеточные механизмы иногда соскальзывают, теряют своё место и добавляют дополнительные копии, заставляя генетическое заикание изменять длину с течением времени.

Исследователи хотели понять, почему у некоторых людей повторы расширялись быстрее, чем у других. Они сосредоточились на расширенных повторах в гене TCF4, потому что они были распространены и широко варьировались в клетках крови. Проведя поиск по всему геному, команда обнаружила 7 генетических изменений, которые, по-видимому, отслеживали экспансию TCF4. Что особенно интересно, четыре из этих мест находились в генах репарации ДНК (MSH3, FAN1, ATAD5 и PMS2), которые уже были связаны с экспансией CAG-повторов в HTTHTT — одна из аббревиатур для гена, вызывающего болезнь Гентингтона. Этот же ген также называют HD и IT-15.. Эти находки укрепляют доказательства того, что гены репарации ДНК играют ключевую роль в контроле экспансий повторов.

Лежачий полицейский для экспансии повторов

Исследование также обнаружило, что крошечное прерывание в генетическом заикании может замедлить рост CAG-повтора. Представьте последовательность «can can can can can». Поскольку каждое слово одинаково, механизм копирования ДНК легко теряет своё место. Теперь вставьте другое слово «can can yes can can». Это крошечное прерывание действует как лежачий полицейский, разрывая повторяющийся паттерн и помогая механизму ДНК отслеживать своё местоположение. Например, в гене TCF4 18 CAG-повторов с одним крошечным прерыванием расширялись в 135 раз медленнее, чем 18 CAG-повторов без прерывания.

Прерывания последовательности, подобные этому, весьма актуальны для БХ. Хотя это крайне редко, люди с прерываниями CAG-повторов имеют значительно более поздний возраст начала заболевания, чем ожидалось. И учёные уже усердно работают над разработкой генетических терапий, разрушающих повторы.

Что это значит для БГ?

Один из основных выводов этого исследования заключается в том, что CAG-повторы имеют естественную тенденцию к росту, и некоторые из тех же механизмов репарации ДНК влияют на эту экспансию в разных генах. Участие механизмов репарации ДНК как в TCF4, так и в HTTHTT — одна из аббревиатур для гена, вызывающего болезнь Гентингтона. Этот же ген также называют HD и IT-15. (наряду со многими другими повторами) убедительно подтверждает идею о том, что эти пути являются центральными для экспансии повторов — и, возможно, для начала заболевания. Мы всё ещё не знаем, запускает ли экспансия повторов с возрастом БХ, но эти растущие доказательства предполагают интригующую связь.

Одним важным ограничением является то, что это исследование в основном измеряло экспансию в клетках крови. Рост повторов в клетках крови не обязательно означает, что те же повторы растут в мозге, потому что каждая клетка накапливает экспансии с разной скоростью и способами, которые зависят от сложных клеточных процессов.

Тем не менее, это исследование подчёркивает необходимость генетических терапий, разрушающих повторы, и методов лечения для модификации активности путей репарации ДНК. Оба подхода уже находятся в стадии исследования, но необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, будут ли они безопасными и эффективными для людей.

Резюме

• Учёные изучили повторяющиеся последовательности ДНК у более чем 900 000 человек.
• Они обнаружили, что CAG-повторы могут расширяться между поколениями и в течение жизни человека.
• Некоторые из тех же генов репарации ДНК влияют на экспансию повторов как в TCF4, так и в гене БХ.
• Крошечные прерывания внутри CAG-повторов резко замедлили их рост, поддерживая усилия по разработке терапий, разрушающих повторы.
• Большинство измерений были получены из крови, поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, как эти находки применимы к мозгу.