Новое исследование раскрывает детали геномов 20 разнообразных инбредных линий мышей

Завершение полной "теломер-в-теломеру" (T2T) сборки генома человека в прошлом году показало, что ранее считавшиеся "полными" геномные последовательности на самом деле таковыми не были.

Многие современные геномы секвенируются с помощью технологий короткого чтения (short-read), которые фрагментируют ДНК на короткие сегменты (обычно 150-300 пар оснований) для последующего сравнения с референсной последовательностью. Хотя эти методы быстры, точны и относительно экономичны, они регулярно пропускают большие участки генома — около 10% в целом. Пропущенные сегменты включают регионы с высоким содержанием G/C и повторяющиеся последовательности, в том числе сегментные дупликации, простые повторы и транспозонные элементы (TEs).

TEs — это повторяющиеся последовательности, способные перемещаться в другие участки генома, и их мобильность вносит большой вклад в геномные вариации. Повторяющиеся последовательности часто лежат в основе формирования структурных вариантов (SVs) — геномных различий, возникающих из-за дупликаций, вставок, делеций и инверсий. SVs часто пропускаются при использовании короткого чтения (особенно опосредованные повторами), но они могут играть важную роль в нарушении регуляции генома и развитии заболеваний.

Исследователи обратились к длинному чтению (long-read sequencing) для более полного анализа геномов, так как эти технологии позволяют секвенировать гораздо более длинные сегменты ДНК и точнее захватывать полную картину генома. Недавние усовершенствования повысили точность и полезность длинного чтения, позволив исследовать ранее не обнаруженные геномные особенности, и не только у человека.

Команда под руководством Кристин Бек, Ph.D., из Jackson Laboratory (JAX) и University of Connecticut Health Center, изучила геномы мыши и раскрыла детали по 20 разнообразным инбредным линиям, что будет критически важно для будущих генетических и геномных исследований на мышах.

Структурные вариации между линиями мышей

У мышей есть собственный референсный геном GRCm39, основанный на последовательности линии C57BL/6J (подвид Mus musculus domesticus). Однако многие часто используемые лабораторные линии происходят от двух других подвидов (Mus musculus castaneus и Mus musculus musculus), и между разными инбредными линиями существует множество генетических различий.

Для исследования, опубликованного в Cell Genomics ("Разрешение структурных вариаций в разнообразных геномах мышей выявляет ремоделирование хроматина из-за транспозонных элементов"), д-р Бек выбрала широкий спектр часто используемых линий: семь родительских основателей генетически разнообразных панелей Collaborative Cross (CC) и Diversity Outbred (DO), шесть производных линий CC с аномалиями неизвестного генетического происхождения и семь других распространенных линий с разным генетическим фоном.

Ардиан Феррай, аспирант и ведущий автор исследования, собрал геномы этих 20 мышей и использовал эти последовательности для идентификации SVs, которые отличали их геномы от референсного C57BL/6J. С помощью программы PAV, разработанной членом лаборатории Бек д-ром Питером Аудано, было показано, что SVs широко распространены в геномах мышей и вносят существенный вклад в геномную вариацию. Фактически, SVs затрагивают почти в пять раз больше пар оснований по сравнению с ранее опубликованными однонуклеотидными вариантами из разнообразных геномов мышей.

Также было обнаружено гораздо большее разнообразие SVs между геномами мышей, чем между геномами людей, что указывает на неадекватность единого референсного генома мыши для картирования геномных данных разных линий. Важно, что длинное чтение жизненно необходимо для захвата этой вариации. Для 18 линий мышей исследовательская команда обнаружила дополнительно 213 688 вставок, 64 277 делеций и 97 инверсий с помощью длинного чтения по сравнению с данными короткого чтения.

Транспозонные элементы и последствия структурных вариаций

В то время как лишь небольшое количество TEs сохраняет способность к мобилизации в геномах человека, у мышей они более подвижны. Поэтому Бек и её команда сосредоточились на вариантах транспозонных элементов (TEVs), которые составили почти 40% всех SVs, причем большинство (60%) были вставками. Существует несколько типов TEVs, известных как короткие и длинные диспергированные ядерные элементы (SINEs и LINEs), предсказуемо характеризующиеся своим размером. LINEs были почти в два раза распространеннее SINEs в геномах мышей (47% против 24%).

Из-за своего размера LINEs также вносят почти половину вариабельного последовательностного содержания в геномах мышей, по сравнению с 24%, вносимыми не-TEV SVs, и 2,1% от SINEs. Различные эндогенные ретровирусные последовательности составили оставшиеся 28% TEVs. Ретровирусы — это РНК-вирусы, чьи геномы подвергаются обратной транскрипции в ДНК, которая затем встраивается в геном. Хотя многие современные ретровирусы связаны с такими заболеваниями, как СПИД и рак, нормальные геномы млекопитающих содержат большое количество ДНК, произошедшей от ретровирусов за тысячелетия (эндогенные ретровирусы, ERVs), которые способствуют геномной вариации у мышей.

Каковы возможные последствия всей этой геномной вариации и активности? Исследователи рассмотрели SVs в контексте известных геномных особенностей и предсказанной тяжести эффектов. Среди вновь обнаруженных SVs внутри последовательностей генов подавляющее большинство (94 863) находились в интронах (последовательностях, вырезаемых из пре-мРНК, поэтому они не изменяют структуру белка); 1 469 — в нетранслируемых регионах (UTRs) на концах гена; и 510 — в самих белковых кодирующих последовательностях.

Также была идентифицирована ранее не обнаруженная вставка ретровирусного элемента в конкретном гене Mutyh (ген репарации ДНК, ассоциированный с известным мутационным сигнатом у определенных линий мышей). Лежащий в основе вариант был неизвестен, но команда обнаружила, что вставка связана со значительным снижением экспрессии гена Mutyh. Это открытие показывает, что неизвестные SVs могут изменять важные геномные регионы и находиться в генах, связанных с признаками, важными для здоровья и функции, включая болезни.

Наконец, в сотрудничестве с исследователем из JAX д-ром Лорой Рейнхольдт команда изучила влияние TEs на различия эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). TEs способствуют геномному разнообразию, и их вариация может изменять важные аспекты экспрессии генов между линиями. Действительно, исследование обнаружило более 22 000 TEVs, ассоциированных со значительными изменениями в доступности хроматина (ключевого регулятора экспрессии генов) в ЭСК из 10 генетически разнообразных линий мышей.

Снова сосредоточившись на конкретном примере, они исследовали специфичную для линии CAST/EiJ интронную вставку в гене Slc47a2, которая сопровождалась уникальным для этой линии сигналом доступности хроматина. Были обнаружены повышенные уровни экспрессии Slc47a2 по сравнению с линиями, лишенными этой вставки, со специфичным для линии транскриптом и возможным сайтом связывания для фактора плюрипотентности, что указывает на важную роль TEVs в раннем развитии.

Более полное понимание

Учитывая важность мыши как модели для генетики млекопитающих и болезней человека, необходимо полностью понимать функциональные последствия геномной вариации. Комплексное обнаружение и характеристика SVs между геномами линий мышей — важная часть такого понимания. Результаты и данные, полученные д-ром Бек и её коллабораторами, представляют важный шаг вперед для этой области.

Авторы создали для научного сообщества ресурс с разрешенными по последовательности SVs, ресурс экспрессии ЭСК мыши и данные по доступности хроматина, которые могут помочь в дальнейших исследованиях эволюции мышей и геномики, лежащей в основе интересующих признаков.