Сборка полных геномов четырех поколений одной семьи помогла вычислить скорость накопления мутаций в человеческом геноме

Знание того, как изменяется ДНК человека на протяжении нескольких поколений, необходимо для оценки риска генетических заболеваний и понимания эволюции. Но предыдущие попытки изучить частоту de novo мутаций исключали наиболее повторяющиеся — и наиболее подверженные мутациям — области человеческого генома. Авторы статьи в Nature применили пять взаимодополняющих технологий секвенирования с короткими и длинными прочтениями, чтобы оценить, как много de novo мутаций возникает в геноме человека за одно поколение и какие участки наиболее подвержены мутагенезу.

В рамках исследования ученые поэтапно собрали геномы 28 человек, которые составляли четыре поколения одной семьи. Часть данных об этой семье уже была доступна, поскольку ее давно — с 1990х годов — исследовали в Центре по изучению полиморфизмов человека (Centre d'Etude du Polymorphisme Humain, CEPH).

Для полногеномного секвенирования использовали PacBio HiFi, секвенирование Oxford Nanopore со сверхдлинными прочтениями, Illumina, Strand-seq и Element AVITI Biosciences (последние два метода были доступны не для всех 28 членов семьи, но для большинства из них). В общей сложности удалось получить более 95% всех диплоидных геномов, по которым затем оценивали количество de novo мутаций, приобретаемых каждым следующим поколением относительно предыдущего.

Данные полногеномного секвенирования, полученные с помощью нескольких ортогональных платформ, ученые применили в основном для анализа первых трех поколений. По геномам четвертого (самого молодого) оценивали возникновение de novo зародышевых мутаций. Для сборки генома авторы воспользовались двумя гибридными пайплайнами — Verkko и hifiasm.

По оценкам исследователей, на одно поколение приходилось 98–206 de novo мутаций — из них в среднем 74,5 однонуклеотидных вариаций (SNV); 4,4 центромерных мутации; 65,3 инделов или структурных вариаций, происходящих из тандемных повторов, и 7,4 индела за их пределами.

Частота возникновения SNV варьировала более чем на порядок в зависимости от геномного контекста, что согласуется с результатами недавнего анализа популяций человека и теоретическими предсказаниями. В целом наиболее подвержены мутациям оказались короткие и вариабельные тандемные повторы, причем в 32 локусах мутации повторялись из поколения в поколение.

Согласно предыдущим оценкам, структурные вариации в геноме человека возникают со средней частотой 0,2–0,3 на поколение. Новые данные указывают на необходимость пересмотреть эту величину — авторы статьи обнаружили 3–4 de novo структурных вариации в каждом новом поколении.

Отдельно авторы проанализировали особенности возникновения мутаций в Y-хромосоме. Точная сборка шести Y-хромосом разных членов исследуемой семьи выявила в среднем 12,4 de novo мутации на поколение.

Авторы отметили, что de novo мутации в клетках зародышевой линии возникали неоднородно — 70–80% выявленных вариантов приходилось на отцовскую линию, и эта доля росла с возрастом отца.

Проведенные ранее исследования указывали на то, что 6–10% de novo вариантов не относятся к мутациям зародышевой линии, а возникают лишь через некоторое время после оплодотворения, давая начало мозаицизму. Таких постзиготических вариантов среди de novo SNV авторы обнаружили 16%.

В проделанной работе авторы структурировали понимание того, с какой скоростью происходит мутагенез у человека как вида, выявив в среднем 152 de novo мутации на поколение. Ученые подчеркивают — это удалось благодаря доступу к данным о четырех поколениях одной семьи и комбинированию методов, тогда как большинство предыдущих работ на эту тему опирались на короткие прочтения и анализ трио «мать-отец-ребенок». Следующим этапом работы авторы назвали анализ большего количества семей — получив такие данные, необходимо установить, насколько легко их можно экстраполировать на человеческую популяцию в целом.

Зародышевые мутации у китов возникают чаще, чем считалось