Z-DNA-associated genomic instability in the human pangenome
Durch die Nutzung von Long-Read-Sequenzierung und menschlichen Pangenom-Assemblierungen zeigt diese Studie auf, dass vorhergesagte Z-DNA-bildende Sequenzen mit erhöhten Mutationsdichten assoziiert sind, insbesondere für Insertionen und Deletionen, über verschiedene menschliche Haplotypen und genomische Kontexte hinweg.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
In jeder menschlichen Zelle wird der genetische Code normalerweise als Doppelhelix gespeichert, einer verdrehten Leiterstruktur, die als B-DNA bekannt ist. Diese rechtsgängige Spirale ist die Standardform, die wir in Lehrbüchern sehen, aber DNA ist ein flexibles Molekül, das sich unter bestimmten Bedingungen in andere Formen winden kann. Eine dieser alternativen Formen wird Z-DNA genannt. Im Gegensatz zur glatten, rechtsgängigen Drehung der Standardform ist die Z-DNA eine linksgängige Helix mit einem gezackten, Zickzack-förmigen Rückgrat. Diese ungewöhnliche Form neigt dazu, in spezifischen Abschnitten des genetischen Codes zu entstehen, insbesondere dort, wo zwei Arten von Bausteinen, genannt Purine und Pyrimidine, in einem sich wiederholenden Muster abwechseln. Während Wissenschaftler schon lange wissen, dass die Z-DNA eine Rolle beim Ein- und Ausschalten von Genen sowie im Immunsystem spielt, blieb eine bleibende Frage offen: Macht die Tendenz der DNA, sich in diese linksgängige Form zu winden, den genetischen Code auch anfälliger für Brüche oder Veränderungen?
Jahrelang war die Beantwortung dieser Frage schwierig, da die Karten, die Wissenschaftler zur Untersuchung der menschlichen DNA verwendeten, unvollständig waren. Diese älteren Karten, wie das Referenzgenom GRCh38, wiesen große Lücken auf, insbesondere in repetitiven Regionen, in denen sich der genetische Code immer wiederholt. Diese Lücken verbargen genau die Stellen, an denen die Z-DNA am wahrscheinlichsten entsteht. Dank neuer Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie konnten Forscher jedoch vollständige, durchgehende Karten der menschlichen Chromosomen erstellen, einschließlich dieser zuvor verborgenen repetitiven Bereiche. Durch die Verwendung dieser neuen, vollständigen Karten zusammen mit einer massiven Sammlung genetischer Daten von Hunderten von vielfältigen Menschen war es einem Forscherteam nun möglich, die Beziehung zwischen Z-DNA und genetischer Instabilität über das gesamte menschliche Genom hinweg mit beispielloser Klarheit nachzuverfolgen.
Die Forscher begannen damit, ein spezialisiertes Computerprogramm zu verwenden, um das vollständige menschliche Referenzgenom und 464 individuelle menschliche Genome aus dem Human Pangenome Reference Consortium zu scannen. Dieses Programm suchte nach den spezifischen Sequenzen des genetischen Codes, die am wahrscheinlichsten in die linksgängige Z-DNA-Form übergehen. Sie fanden heraus, dass die Gesamtmenge dieser Sequenzen über verschiedene menschliche Populationen hinweg zwar ähnlich war, die neuen vollständigen Karten jedoch deutlich mehr Z-DNA-bildende Regionen enthüllten als die älteren Karten. Dieser Unterschied war am deutlichsten in den repetitiven Abschnitten des Genoms zu beobachten, wie etwa den kurzen Armen bestimmter Chromosomen und den Regionen um die Zentromere, die in älteren Referenzen zuvor fehlten oder unvollständig waren. Die Studie bestätigte, dass diese linksgängigen Strukturen nicht zufällig verstreut sind; sie konzentrieren sich in Bereichen, in denen Gene aktiv sind, und in Regionen, die reich an ribosomaler RNA sind, der Maschinerie, die Zellen zum Bau von Proteinen nutzen.
Nachdem sie kartiert hatten, wo diese Strukturen existieren, fragte das Team, ob diese Orte Hotspots für genetische Fehler waren. Sie analysierten mehr als 52 Millionen genetische Variationen aus den menschlichen Pangenom-Daten und verglichen die Häufigkeit von Mutationen in der Nähe von Z-DNA-Sequenzen mit sorgfältig abgestimmten Kontrollregionen, die ähnlich aussahen, aber keine Z-DNA bildeten. Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster: Genetische Mutationen waren in der Nähe der vorhergesagten Z-DNA-Stellen signifikant häufiger. Dies galt für fast jede Art von Mutation, die sie untersucht hatten, aber der Effekt war am stärksten bei kleinen und mittleren Insertionen und Deletionen, bei denen DNA-Stücke hinzugefügt oder entfernt werden. Die Forscher untersuchten auch komplexe Ereignisse, bei denen Insertionen und Deletionen gemeinsam auftreten, und fanden, dass diese in der Nähe der linksgängigen Strukturen noch wahrscheinlicher auftraten.
Die Studie ergab, dass diese Instabilität nicht gleichmäßig verteilt ist, sondern eng fokussiert ist. Die Mutationen konzentrierten sich am stärksten genau an den Grenzen, an denen die DNA von ihrer Standard-Rechtsgängigkeit in die linksgängige Z-Form wechselt. Dies deutet darauf hin, dass die physische Spannung, die entsteht, wenn sich die DNA in diese ungewöhnliche Form windet, oder die zelluläre Maschinerie, die versucht, diese Drehung zu bewältigen, einen fragilen Punkt schafft, an dem der genetische Code eher brechen oder fehlerhaft kopiert werden kann. Darüber hinaus fanden die Forscher, dass diese Beziehung stark davon abhing, wo sich die DNA in der Zelle befand. Die Verbindung zwischen Z-DNA und Mutationen war in genreichen, aktiven Bereichen des Genoms sehr stark, aber in den dicht gepackten, inaktiven Regionen, die als Heterochromatin bekannt sind, viel schwächer oder gar nicht vorhanden.
Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse nicht nur ein Resultat der natürlichen Selektion waren, die schlechte Mutationen über Generationen hinweg herausgefiltert hat, untersuchte das Team auch einen Satz von mehr als 250.000 brandneuen Mutationen, die gerade erst bei Kindern aufgetreten waren und noch nicht bei deren Eltern vorhanden waren. Sie fanden dasselbe Muster: Diese frischen Mutationen traten ebenfalls wahrscheinlicher in der Nähe von Z-DNA-Sequenzen auf. Dies bestätigte, dass die linksgängige Form der DNA selbst ein lokales Umfeld schafft, das die Wahrscheinlichkeit genetischer Veränderungen erhöht, unabhängig davon, ob diese Veränderungen in der Population überlebt haben.
Die Forscher untersuchten auch, wie die Stärke des Z-DNA-Signals diese Fehler beeinflusste. Sie fanden heraus, dass das Mutationsrisiko bei Einzelbuchstaben-Änderungen im Code tatsächlich in Regionen mit einer geringeren vorhergesagten Tendenz zur Bildung von Z-DNA höher war, während das Risiko für größere, komplexere Fehler in Regionen mit einer moderaten Tendenz am höchsten war. Dies deutet darauf hin, dass die Beziehung zwischen DNA-Form und genetischer Stabilität nuanciert ist und sowohl vom spezifischen Typ des Fehlers als als auch vom lokalen genomischen Umfeld abhängt. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Z-DNA, obwohl sie ein bekannter Regulator der Genaktivität ist, durch ihre physische Präsenz auch eine bedeutende Quelle genetischer Variation darstellt, insbesondere in den repetitiven und genreichen Teilen unseres Genoms, die erst kürzlich durch moderne Sequenzierungstechnologie vollständig sichtbar gemacht wurden.
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