Она называется центромерой и играет решающую роль в повседневном делении клеток, которое поддерживает наше здоровье. Что также делает его ключевым подозреваемым при врожденных дефектах, раке и других заболеваниях, возникающих из-за проблем с делением клеток.Теперь новая техника может заставить этот таинственный участок ДНК наконец раскрыть свои секреты.
Уже первая проверка этого подхода дала ключ к разгадке роли центромер в синдроме Дауна, который возникает, когда ребенок наследует дополнительную копию хромосомы 21.Вскоре разработчики этого метода из Медицинской школы Мичиганского университета надеются, что он ускорит исследования других состояний, которые могут иметь корни в проблемах, связанных с центромерой.«Эти анализы дают нам возможность понять динамику центромер и то, как эти последовательности расширяются или сжимаются во время эволюции и / или процессов болезни», — говорит Рафаэль Контрерас-Галиндо, доктор философии, ведущий автор новой статьи и ассистент. профессор внутренней медицины. «Теперь мы можем понять, на каких центромерах в определенных хромосомах находятся ключевые центромерные белки и образуют кинетохоры, которые жизненно важны для деления клеток. Благодаря этим исследованиям мы можем начать понимать, как нестабильность центромеры ДНК может влиять на функцию центромеры, как мы, кажется, видим при синдроме Дауна ".
Ускорение генетического анализаВ новой статье в Genome Research исследователи UM описывают метод, который они разработали, и его первое испытание. По сути, это превращает анализ ДНК центромер из долгой и трудоемкой задачи в быструю и относительно простую, которая может ускорить исследования заболеваний, связанных с центромерой.Их подход основан на открытии уникальных паттернов повторения ДНК, обнаруженных в центромере почти каждой хромосомы.
Их новый каталог этих специфичных для хромосом паттернов позволяет использовать инструмент секвенирования ДНК, называемый полимеразной цепной реакцией или ПЦР.Массивные повторяющиеся участки ДНК, составляющие большую часть каждой центромеры, затрудняли секвенирование и изучение структур в прошлом, потому что одни и те же длинные участки появляются на каждой хромосоме.Итак, большинство исследователей центромер изучали белки и другие молекулы, которые взаимодействуют с центромерами — факторами, называемыми эпигенетическими, — а не самой ДНК.
Но новый подход использует небольшие вариации, специфичные для хромосом, и использует их в качестве праймеров для ПЦР. Это позволяет исследователям быстро и легко распознавать центромеры почти каждой хромосомы в клетке и различать их всего за полчаса.
«Центромеры важны для деления клеток, но плохо изучены с генетической точки зрения, потому что последовательности ДНК в них очень повторяются», — говорит Дэвид Марковиц, доктор медицины, старший автор новой статьи и профессор внутренней медицины. «С помощью этой техники мы и другие пользователи можем изучать их генетику и эпигенетику в режиме реального времени, удобным для пользователя способом».U-M подала заявку на патент на этот подход и в настоящее время ищет партнеров по коммерциализации, которые помогут вывести технологию на рынок.Связь с синдромом ДаунаВ новой статье Контрерас-Галиндо, Марковиц, активный почетный профессор UM Марк Каплан, доктор медицины, и группа сотрудников сообщают о результатах сравнения центромер у людей с синдромом Дауна и без него.
Они показывают прочную связь между состоянием и нестабильностью хромосомы 21 — как в центромере, так и в участках ДНК, фланкирующих ее, называемых перицентромерами.Нестабильные центромеры и перицентромеры могут помочь объяснить, почему люди с синдромом Дауна наследуют дополнительную копию этой хромосомы, хотя для проверки этой гипотезы еще много работы.В конце концов, как узнает каждый студент-биолог, готовящиеся к делению клетки полагаются на центромеры, которые помогают им разделить двойное количество ДНК, которое они произвели, и распределить его между двумя «дочерними» клетками, которые они произведут. Для этого клетки вырастают длинные тонкие структуры, называемые веретенами, которые выглядят как паучьи лапы, и прикрепляются к одной центромере каждой хромосомы, которая состоит из двух идентичных участков ДНК.
Веретено втягивается по мере деления клетки, отделяя две половины хромосомы. Если ощипывание происходит неправильно из-за проблем, связанных с центромерой, это может привести к тому, что обе половины хромосомы переместятся вместе в «дочернюю» клетку.В новом исследовании люди с синдромом Дауна также отличались от людей без этого заболевания уровнем ключевого белка, который связывается с центромерой ДНК и помогает формировать структуру, к которой прикрепляются веретена. У людей с синдромом Дауна было гораздо больше этого белка, прикрепленного к их центромерам, по сравнению с людьми без этого заболевания.
Интуиция и трудолюбиеИсследователи UM не собирались изучать центромеры.
Изначально они хотели узнать больше о скрытой вирусной ДНК, которая веками внедрялась в наш геном.Эти человеческие эндогенные ретровирусы, или HERV, как их называют, дали нам участки ДНК, которые копируются и передаются из поколения в поколение.Команда ранее обнаружила неизвестную РНК HERV в крови пациентов с ВИЧ / СПИДом. Со временем они обнаружили ДНК HERV около краев центромеры определенных хромосом.
Они окрестили вирусы K111 и K222.Последовательностей HERV не было в базе данных Human Genome Project, потому что они находятся в области центромеры.
Но исследователи и их коллеги показали, что те же самые HERV могут быть обнаружены и у других высших приматов, включая шимпанзе и неандертальцев.Но в то время как у этих человеческих родственников есть несколько копий, у нас, людей, есть тысячи копий ДНК HERV рядом с нашими центромерами — и на многих из наших хромосом. K111, например, может быть обнаружен на центромерах 15 хромосом, слегка измененных в каждой из них. Это говорит о том, что центромеры с течением времени генетический материал «перекрестился» с другими хромосомами.
Используя последовательности HERV в качестве точки привязки для изучения ДНК центромеры, команда использовала ПЦР так называемых последовательностей альфа-повторов для более полного анализа почти всех центромер человека.В новую статью включены их результаты по 23 из 24 различных хромосом человека, включая X и Y. Только хромосома 19 пока сопротивляется разработке диагностического ПЦР-анализа, поскольку исследователи ищут уникальные для нее последовательности.