Люди накапливают изменения в ДНК на протяжении всей жизни из-за ошибок при репликации и восстановлении генетического материала. Мутации происходят и под воздействием среды — ультрафиолета или табачного дыма.
Геномный хаос: у человека нашли сотни клеток с разными мутациями ДНК
Исследователи из Гарвардской медицинской школы секвенировали геномы более 100 индивидуальных клеток одного 74-летнего мужчины и обнаружили настоящий генетический хаос: лишние участки хромосом, утраченные фрагменты ДНК, а в нескольких клетках полностью отсутствовала Y-хромосома. Работа стала пилотным проектом для консорциума стоимостью 140 миллионов долларов, который планирует составить каталог мутаций в клетках 150 доноров.
Человеческие хромосомы (искусственно окрашенные) значительно различаются от клетки к клетке, согласно исследованию ДНК более 100 клеток одного человека. Cavallini James/BSIP/Science Photo Library
Мозаицизм — это присутствие в организме клеток с разным генетическим составом. Он возникает из-за спонтанных мутаций после оплодотворения, когда эмбрион уже начал делиться. Если мутация происходит на ранней стадии развития, она может затронуть большую часть тканей организма. Если позже — только отдельные группы клеток. Мозаицизм может быть безвредным, но иногда приводит к заболеваниям. Например, некоторые генетические синдромы проявляются в мозаичной форме, когда только часть клеток несет патогенную мутацию, что делает симптомы менее выраженными по сравнению с полной формой заболевания.
Повреждение ДНК разными видами ультрафиолета
Это явление называется мозаицизмом: клетки одного организма несут разные генетические варианты. С развитием технологий секвенирования стало ясно, насколько распространен мозаицизм и как он влияет на здоровье. Накопление мутаций может вызывать рак, а потеря Y-хромосомы в клетках крови связана с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний и инфаркта.
Но каталогизировать эти различия и определить, когда они возникли, крайне сложно. Обычное секвенирование выполняется на ДНК, выделенной сразу из множества клеток, что затрудняет обнаружение вариантов, присутствующих лишь в одной или нескольких клетках. Секвенирование отдельных клеток — более трудная задача, поскольку в каждой клетке всего две копии генома.
Команда использовала метод, который позволяет создать дополнительные копии ДНК, взятой из индивидуальной клетки, и затем секвенировать ее. Исследователи применили процедуру к клеткам из толстой кишки и легких мужчины после его смерти. Результаты опубликованы на сервере препринтов bioRxiv.
Генетический хаос
Обзор эксперимента. Протоколы сбора тканей, выделения ядер, амплификации всего генома отдельных клеток и секвенирования варьировались в разных центрах. Окончательные данные были собраны в одном центре для единообразной биоинформатической обработки, вторичного контроля качества, определения соматических мутаций и анализа.
Метод позволил не только выявить различия в последовательности ДНК, но и приблизительно определить, когда в жизни человека они возникли. Кроме того, ученые обнаружили паттерны мутаций, указывающие на их возможные причины, — несколько клеток несли повреждения, вероятно, вызванные табачным дымом.
«В некоторых клетках был настоящий хаос», — говорит соавтор работы Джо Лукетт. Он надеется, что по мере накопления данных удастся улучшить интерпретацию геномных последовательностей.
«Допустим, вы проводите анализ рака и находите множество мутаций. Это плохо? А по сравнению с чем? Нам нужно понять, что такое нормальная ДНК. Пока мы этого не знаем», — говорит Лукетт.