Неожиданный источник генетического разнообразия нашли в сперме человека
Генетическая «перетасовка», благодаря которой дети получают уникальную комбинацию ДНК родителей, начинается раньше, чем считали биологи. Исследователи обнаружили, что часть изменений в сперматозоидах возникает еще до мейоза, специального деления клеток, которое формирует половые клетки. Раньше именно мейоз считали главным этапом генетической рекомбинации.
Открытие сделали ученые из Института Сенгера, Кембриджского университета и других научных центров. Работа опубликована в журнале Nature. Исследователи изучали так называемую некроссоверную генную конверсию, при которой небольшой участок ДНК одной копии хромосомы копируется в другую без полноценного обмена крупными фрагментами.
Обычно будущие сперматозоиды проходят два основных этапа клеточного деления. Сначала клетки многократно размножаются обычным митозом, а затем переходят к мейозу. Во время мейоза хромосомы обмениваются участками ДНК, создавая новые генетические комбинации. Биологи долго предполагали, что большинство подобных перестроек возникает именно на втором этапе.
Новые данные показали более сложную картину. Часть коротких участков ДНК копируется между хромосомами еще во время обычных клеточных делений, которые поддерживают запас клеток, производящих сперматозоиды на протяжении жизни мужчины. Молекулярные следы таких изменений заметно отличаются от рекомбинации во время мейоза и больше напоминают процессы восстановления поврежденной ДНК в обычных тканях организма.
Авторы проанализировали 15 образцов спермы от 13 мужчин в возрасте от 24 до 74 лет. Высокоточное длинночитающее секвенирование позволило напрямую обнаружить 7143 события кроссовера и 2382 случая некроссоверной генной конверсии. Раньше короткие события такого типа было значительно сложнее находить непосредственно в сперматозоидах.
Еще один неожиданный результат связан с индивидуальными различиями. Частота и расположение участков генной конверсии различались у разных людей, причем исследователи заметили отличия даже у однояйцевых близнецов. Генетическое разнообразие потомства, таким образом, зависит не только от последовательности ДНК, полученной от родителей, но и от процессов, которые происходят в половых клетках конкретного человека.
Некоторые обнаруженные участки расположены в областях генома, склонных к разрывам ДНК. Организм постоянно ремонтирует такие повреждения, а ошибки при восстановлении способны изменить последовательность генома. Подобный механизм может играть роль не только в появлении безвредных генетических различий, но и в возникновении вариантов, связанных с наследственными заболеваниями.
Авторы считают, что результаты помогут лучше понять, как мужские половые клетки одновременно сохраняют целостность генома и создают разнообразие, необходимое для эволюции. Новая модель также дает исследователям дополнительный способ изучать причины различий в мужской фертильности и происхождение генетических изменений, которые передаются следующему поколению.