Новое исследование раскрывает подробности о 20 различных инбредных линиях мышей

Завершение полного «теломера-теломера» (T2T) генома человека в прошлом году подчеркнуло, что последовательности генома, которые ранее считались «полными», на самом деле вовсе не были полными.

Более того, многие недавние геномы секвенированы с помощью технологий секвенирования с коротким считыванием, которые фрагментируют ДНК на короткие сегменты, обычно длиной 150–300 пар оснований, а затем сравнивают с эталонной последовательностью. В то время как быстрые, точные и относительно экономичные методологии краткого считывания обычно пропускают большие части генома, около 10% в целом. Отсутствующие сегменты включают области с высоким содержанием G/C и повторяющиеся последовательности, включая сегментарные дупликации, простые повторы и мобильные элементы (TE).

TE представляют собой повторяющиеся последовательности, которые перемещаются в другие места генома, и мобильность этих последовательностей в значительной степени способствует изменчивости генома. Повторяющиеся последовательности часто лежат в основе формирования структурных вариантов (SV) — геномных различий, возникающих в результате дупликаций, вставок, делеций и инверсий. SV часто упускают из виду при использовании секвенирования с коротким считыванием (в частности, тех, которые опосредованы повторами), но они могут играть важную роль в нарушении регуляции генома и заболеваниях.

Исследователи обратились к секвенированию с длинным считыванием для более полного анализа геномов, поскольку эти технологии позволяют секвенировать гораздо более длинные сегменты ДНК и могут точно отображать более полную картину генома. Недавние достижения повысили точность и полезность длинных считываний, что позволило исследователям исследовать ранее необнаруженные геномные особенности, причем не только у людей.

Лаборатория Джексона (JAX) и доцент Центра здоровья Университета Коннектикута Кристин Бек, доктор философии, возглавили группу, которая исследовала геномы другого известного вида, мыши, и выявила детали 20 различных инбредных штаммов, которые будут иметь решающее значение для информирования исследования в области генетики и геномики на мышах продвигаются вперед.

Структурные различия между линиями мышей

У мышей есть собственный эталонный геном, известный как GRCm39, основанный на последовательности C57BL/6J, штамма подвида Mus musculus domesticus. Но многие широко используемые штаммы лабораторных мышей произошли также от двух других подвидов, Mus musculus castaneus и Mus musculus musculus, и между разными инбредными штаммами существует множество генетических различий.

За работу, представленную в статье «Разрешение структурных вариаций в различных геномах мышей, выявляет ремоделирование хроматина за счет мобильных элементов», опубликованную в Клеточная геномикад-р Бек отобрал широкий спектр часто используемых штаммов, в том числе семь родителей-основателей генетически разнообразных панелей мышей Collaborative Cross (CC) и Diversity Outbred (DO), шесть результирующих штаммов CC с аномалиями неизвестного генетического происхождения и семь других. часто используемые штаммы с различным генетическим фоном.

Ардиан Феррадж, аспирант и ведущий автор исследования, затем собрал геномы этих 20 мышей и использовал эти последовательности для идентификации SV, присутствующих у животных, которые отличали их геномы от генома эталона C57BL/6J. Используя PAV, программу, разработанную сотрудником лаборатории Бека доктором Питером Аудано, Ардиан показал, что SV преобладают в геномах мышей и вносят значительный вклад в геномную изменчивость. Фактически, SV содержат почти в пять раз больше затронутых оснований по сравнению с ранее опубликованными однонуклеотидными вариантами из различных геномов мыши.

Они также обнаружили гораздо большее разнообразие SV между геномами мыши, чем между геномами человека, что позволяет предположить, что один эталонный геном мыши не подходит для картирования геномных данных между линиями мышей. Важно отметить, что секвенирование с длительным чтением жизненно важно для захвата этой вариации. В 18 линиях мышей исследовательская группа обнаружила дополнительные 213 688 вставок, 64 277 делеций и 97 инверсий при длинных считываниях по сравнению с данными коротких считываний.

Мобильные элементы и последствия структурных вариаций

В то время как только небольшое количество TE все еще способно мобилизоваться в геномах человека, они более мобильны у мышей. Из-за этого Бек и ее команда сосредоточились на вариантах мобильных элементов (TEV), которые, как они обнаружили, составляют почти 40% всех SV, причем большинство (60%) являются вставками. Существует несколько типов TEV, известных как короткие и длинные вкрапленные ядерные элементы (SINE и LINE), которые предсказуемо характеризуются своим размером. LINE встречались почти в два раза чаще, чем SINE, в геномах мышей, от 47% до 24%.

Из-за своего размера LINEs также составляют почти половину содержания переменных последовательностей в геномах мыши, по сравнению с только 24% вклада не-TEV SV и 2,1% SINE. Различные эндогенные ретровирусные последовательности генерировали оставшиеся 28% TEV. Ретровирусы представляют собой РНК-вирусы, геномы которых обратно транскрибируются в ДНК, которая затем вставляется в геном. В то время как многие современные ретровирусы связаны с такими заболеваниями, как СПИД и рак, нормальные геномы млекопитающих содержат большое количество ДНК, полученной из ретровирусов на протяжении тысячелетий, известных как эндогенные ретровирусы или ERV, которые помогают управлять геномными вариациями у мышей.

Итак, каковы возможные последствия всей этой геномной изменчивости и активности? Исследователи рассмотрели SV в контексте известных геномных особенностей и предсказали тяжесть последствий. Среди недавно обнаруженных SV в генных последовательностях подавляющее большинство (94 863) находились в интронах, последовательностях, которые сплайсированы из пре-мРНК, поэтому они не изменяют структуру белка; 1469 находились в нетранслируемых сегментах (UTR) на обоих концах гена; и 510 в реальных последовательностях, кодирующих белок.

Они также идентифицировали ранее необнаруженную вставку ретровирусного элемента в определенный ген, Mutyh, ген репарации ДНК, связанный с известной мутационной сигнатурой в определенных линиях мышей. Основной вариант был неизвестен, но команда обнаружила, что вставка была связана со значительным снижением экспрессии гена Mutyh. Открытие показывает, что неизвестные SV могут изменять важные области генома и находиться в генах, связанных с признаками, имеющими отношение к здоровью и функционированию, включая болезни.

Наконец, в сотрудничестве с исследователем Jax, доктором Лаурой Рейнхольдт, команда исследовала влияние TE на различия эмбриональных стволовых клеток. TE способствуют разнообразию генома, и их вариации могут изменять важные аспекты экспрессии генов между штаммами. Действительно, исследование обнаружило более 22 000 TEV, связанных со значительными изменениями доступности хроматина стволовых клеток, ключевого регулятора экспрессии генов, в эмбриональных стволовых клетках от 10 генетически различных линий мышей.

Снова сосредоточившись на конкретном примере, они исследовали специфическую для штамма (CAST/EiJ) интронную вставку в гене Slc47a2, которая сопровождалась сигналом доступности хроматина, уникальным для штамма. Они обнаружили повышенные уровни экспрессии Slc47a2 по сравнению со штаммами без вставки, с штаммоспецифическим транскриптом и возможной областью связывания фактора плюрипотентности, что указывает на важную роль TEV в раннем развитии.

Более полное понимание

Учитывая важность мыши как модели генетики млекопитающих и болезней человека, необходимо полностью понимать функциональные последствия геномной изменчивости. Всестороннее обнаружение и характеристика SV между геномами штаммов мышей является важной частью такого понимания, а результаты и данные, полученные доктором Беком и ее сотрудниками, обеспечивают важный шаг вперед в этой области.

Авторы создали ресурс SV с разрешением последовательности, ресурс экспрессии эмбриональных стволовых клеток мыши и данные о доступности хроматина для исследовательского сообщества, которые могут помочь в дальнейших исследованиях эволюции мыши и геномики, лежащей в основе интересующих признаков.