Геном человека можно представить как текст, состоящий из трех миллиардов нуклеотидов A,T,G и C, которые определяют наследуемые особенности нашего строения и развития.
Количество разных нуклеотидов в нашем геноме не одинаково: на нуклеотиды G и С приходится примерно по 20% текста, а на нуклеотиды A и T – по 30%. Известно, что больше всего наши клетки пытаются избегать сочетания нуклеотидов CG.
Если мы случайно перемешаем все нуклеотиды нашего генома, то поскольку на нуклеотиды C и G приходится по две десятых текста, на сочетание нуклеотидов CG должно приходиться 0.2 X 0.2 = 0.04 полинуклеотида, т.е. 4%. Это то, чего мы ожидаем. Но на практике число нуклеотидов CG в геноме человека примерно в пять раз меньше ожидаемого.
Исчезающие из генома сочетания нуклеотидов вызывают интерес молекулярных генетиков, ведь изучая их, можно наткнуться на новые механизмы мутагенеза или репарации – исправления ошибок в молекуле ДНК. Теоретически это может помочь построению более точной картины эволюции нашего вида, уточнить представления о причинах появления некоторых генетических и раковых заболеваний.
В случае со сочетанием нуклеотидов CG, механизм, приводящий к его вычищению из генома, был обнаружен достаточно давно – это сосетание нуклеотидов часто мутирует из-за так называемых эпигенетических модификаций. Это когда к некоторым нуклеотидам в нашем геноме присоедины дополнительные группы атомов. В данном случае речь идет о причоединении метильной (-CH3) группы к нуклеотиду C (метилирование C). Из-за этой модификации нуклеотид C становится более похожим на нуклеотид T и превращается в него легче обычного.
Присоедмнение -СH3 групп чаще всего происходит к буквам C, в составе сочетания нуклеотидов CG. Специальный фермент узнает такие сочетания и модифицирует их. В итоге сочетания нуклеотидов CG часто мутируют в сочетания нуклеотидов TG, их становится мало.
Но существуют таинственные участки генома человека и других млекопитающих, которые называются CG («СиПиДжи») островами. В этих местах количество сочетаний нуклеотидов CG не снижено, как в остальном геноме, а находится примерно на ожидаемом уровне. Часто такие острова находятся рядом с генами и, по-видимому, участвуют в регуляции их работы.
В CG-островах метилирование и мутации обычно происходят реже. Но кое-какое метилирование происходит даже в CG островах, поэтому возникает вопрос: объясняет ли сниженный уровень метилирования сниженную частоту мутаций в этих участках генома?
Для того чтобы ответить на этот вопрос можно взять сочетания нуклеотидов CG из CG-островов и сочетания нуклеотидов CG из остального генома и сравнить наблюдаемые частоты их превращения в TG с учетом метилирования. События превращения CG в TG мы можем обнаружить благодаря тому, что есть огромный массив данных о генетическом разнообразии людей. Если у Саши в некотором месте генома находится CG, а у Маши – TG, мы можем понять какой из двух вариантов является предковым, посмотрев на прочитанные геномы шимпанзе и орангутана или других приматов. Если у всех приматов в этом месте CG, значит Машин вариант – новый.
Метилирование в разных клетках организма может происходить по-разному, но нас прежде всего интересует метилирование в тех клетках, мутации в ДНК которых могут передаваться потомкам организма. Если мутация произойдет, скажем, в клетке кожи, то это не отразится на нашем потомстве, поэтому метилирование клеток кожи нас не интересует – оно не может повлиять на встречаемость слова CG в геноме.
По ряду соображений наибольший интерес представляет метилирование в сперматозоидах и их предшественниках.
В своей работе мы показали, что, действительно, количество замен слов CG на ТG примерно в пять раз выше в тех CG, которые метилированы в сперматозоидах (метилирование в некоторых других типах клеток, которые мы посмотрели, такого эффекта не дает). Причем величина эффекта примерно соответствует оценкам общего увеличения частот замен рассмотренного нами типа в слове CG.
Однако оказалось, что метилированные CG в CG-островах все равно заменяются на TG примерно в 2 раза реже, чем метилированные CG слова из других областей генома. Это означает, что либо что-то защищает эти острова от мутаций (например, какие-нибудь белки, связывающиеся с ДНК в CG островах), либо здесь задействован естественный отбор.
Можно предположить, что некоторые CG острова настолько важны, что мутации CG нуклеотидов внутри них оказываются очень вредными, и носители таких мутаций не выживают. В итоге мы видим меньше мутаций в этих участках генома.
Любопытно, что важными оказались не только острова, расположенные рядом с генами человека (которые могли бы выполнять функцию генетической регуляции), но и острова вдали от всяких генов. Какую функцию могли бы выполнять эти острова, мы пока плохо представляем.