Çok kuşaklı insan aileleri incelenerek mutasyonların ortaya çıkma hızı tahmin edilebilir. Aynı ailenin dört neslinden 28 kişi için referans genomları bir araya getirilmiştir. Halka açık bu kaynak, genomun en karmaşık bölgelerindeki mutasyonların altında yatan mekanizmalar hakkında fikir verir.

Soru
De novo mutasyonlar (DNM’ler) – bir birey tarafından taşınan ancak ebeveynlerinden herhangi biri tarafından taşınan mutasyonlar – birçok hastalığın altında yatar ve evrimi yönlendirir. İnsanlarda DNM’lerin oluşma oranına ilişkin önceki araştırmalar, esas olarak kısa okuma dizilerinden eksik referans genomlarına kadar haritalama verilerine bağlıydı ve genellikle mutasyona oldukça eğilimli tekrarlayan diziler içeren genomik bölgeleri hariç tuttu. İnsan genomunun dizisini tamamlamak için çalışmalar1 ve uzun okuma dizileme ve genom montaj algoritmalarındaki ilerlemeler, neredeyse eksiksiz uçtan uca genomların2 oluşturulmasını sağladı. Prensip olarak, tür veya karmaşıklık ne olursa olsun, tüm varyasyon biçimleri artık değerlendirilebilir ve kökene göre takip edilebilir.

Gözlem
DNM kalıplarını anlamak için, on yıllar boyunca genetik araştırmalarında kapsamlı bir şekilde çalışılan bir ailenin dört neslinden (CEPH 1463) 28 kişinin genomlarına beş dizileme teknolojisini uyguladık3,4. Tek nükleotid varyantlarını (SNV’ler), dizi eklemelerini ve silmelerini (indeller) ve DNA’da yapısal varyantlar adı verilen büyük ölçekli değişiklikleri kandan keşfetmeye odaklandık. Sentromerler ve Y cinsiyet kromozomu adı verilen hücre bölünmesinde yer alan yapılar da dahil olmak üzere en karmaşık genomik bölgeleri araştırmak için de novo montajları (referans genomu olmadan yeniden inşa edilen) oluşturmak için uzun okuma dizilemesi kullandık. Yaklaşımımız, nesiller arasında DNM iletimini araştırmamızı (Şekil 1) ve ebeveynlerin cinsiyet hücrelerinde ortaya çıkan mutasyonları (germ çizgisi mutasyonları) yumurta hücresi döllenmesinden sonra ortaya çıkanlardan (postzigot mutasyonlar) ayırt etmemizi sağladı.

Şekil 1 | Yeni mutasyonların bulaşma oranını tahmin etmek için bir ailenin dört nesli incelenmiştir. CEPH 1463 ailesinin dört neslindeki (G1–G4) 28 bireyin DNA’sı, burada listelenen ve renk kodlu çeşitli teknikler kullanılarak sıralanmıştır. G2-G4 için, bireysel olarak türetilmiş hücre hatlarından (UL-ONT, Strand-seq ve G1 için kullanıldığı gibi) DNA’nın kullanılmasından kaynaklanan önyargı tanıtan eserlerden kaçınmak için dizileme için kandan DNA kullanılmıştır. Element, Element AVITI Biosciences; HiFi, yüksek sadakat dizileme (seq); UL-ONT, ultra uzun Oxford Nanopore Technologies dizilimi.

Önceki kriterlerden 260 milyon daha fazla genom baz çiftine eriştik ve 98-206 DNM’nin bir nesilden diğerine iletildiğini tahmin ediyoruz, bu da önceki tahminlerden daha yüksek5. Bu DNM’leri, nesiller boyunca miras kalan 1.530 rekombinasyon olayı, 5,95 milyon küçük varyant (SNV’ler ve indeller) ve 35.662 yapısal varyanttan oluşan genetik bir arka planla haritaladık. DNM’lerin yaklaşık %16’sı postzigottu ve germline DNM’lerin %81,4’ü baba kökenliyken, postzigot DNM’ler ebeveyn kökenli yanlılığı göstermez.

Ayrıca, bir bölgenin tekrar eden içeriğine bağlı olarak DNM oranının önemli ölçüde değiştiğini gördük. Genel olarak, ebeveyn germ çizgisi, nesil başına baz çifti başına 1,17 × 10−8 SNV’ye katkıda bulunur, bu oran sentromer tekrarlarında neredeyse üç katına çıkar ve segmental çoğaltmalar adı verilen tekrarlanan dizilerde neredeyse iki katına çıkar. Y kromozomunun kompakt “heterokromatin” kısımlarında ve tandem tekrar bölgelerinde de yüksek mutasyon oranları gözlenmiştir. Tandem tekrar bölgelerindeki mutasyon oranlarının tekrarlanan motifin uzunluğuna ve genel dizi bileşimine bağlı olduğunu gösteriyoruz.

Bu tür diziler arasında ailede tekrarlayan mutasyonlar sergileyen 32 bölge vardı; bu dizilerin 16’sı dört nesil boyunca üç veya daha fazla kez genişledi veya daraldı. 288 tam sentromer topladık ve 150 iletim olayından 18 de novo yapısal varyantı doğruladık. Bu 18’den 13’ü aktif sentromerik tekrar bölgelerine eşlenir ve bu sentromerik yapısal varyantlardan en az 2’sinin hücre bölme mekanizmalarının lokalizasyonunu değiştireceği tahmin edilmektedir. Üçüncü nesilden 8 birey arasında 41 de novo yapısal varyant tespit ettik ve iletim başına bu tür 3-7 varyant olduğunu tahmin ettik, bu da nesil başına ortalama 4.400 baz çiftinin kazanılması veya kaybedilmesine neden oldu.

Çıkarımlar
Her bir ebeveynin katkılarının tanımlandığı yüksek kaliteli insan genomiği verileri sağlıyoruz. Karmaşık genomik bölgelerden bile genetik varyasyonun çoğu formu, nesiller arası bulaşmaları açısından değerlendirilebilir. Ancak bazı sınırlamalar var. ‘Akrosantrik’ kromozomların (sentromerin bir uca yakın olduğu) kısa kolları, olağanüstü tekrarlayan doğaları ve ebeveyn kromozomlarındaki eşdeğer olmayan bölgeler arasındaki yüksek derecede rekombinasyon nedeniyle çözülmemiştir. Bu bölgelerin montajına rehberlik etmek için ekstra sıralama verilerine ihtiyaç vardır. DNM’lerin kalıplarının genetik geçmişe bağlı olarak değiştiği bilinmektedir, bu nedenle özellikle karmaşık genomik bölgeler için daha da sağlam mutasyon oranı tahminleri oluşturmak için daha fazla ailenin incelenmesi gerekir. Bizimki gibi kamuya açık çok kuşaklı kaynaklar, DNM’lerin oranının tahminlerini iyileştirecek ve değişken algılama ve dizileme teknolojilerini değerlendirmek için algoritmaları test etmek için yararlı bir ölçüt görevi görecektir. — David Porubsky ve Evan. E. Eichler, Seattle, Washington, ABD’deki Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi’ndedir.

Kağıdın arkasında
Bu projenin başlangıcından itibaren, bu ailenin bilime olan bağlılığına ve yol boyunca bize yardım etme konusundaki bağlılıklarına hayran kaldık. Örneğin, bireysel NA12878’in genomu tartışmasız insanlık tarihinde en çok çalışılan genomlardan biridir. Bu proje için, bireylerden hücre hatlarının kullanılmasının DNM oranının tahminleri üzerinde sahip olabileceği önyargılardan kaçınmak için kan DNA’sı ile çalışmak çok önemliydi. Özellikle, her aile üyesi, verilerinin çoğunun araştırma amacıyla serbestçe kullanılmasını kabul etmiştir. CEPH 1463 ailesinin tüm üyelerine, insan genetik varyasyonu hakkındaki bilgilerimizi ilerletme konusundaki bağlılıkları için teşekkür ediyoruz.— D.P. ve E.E.E.

Kaynak ve devamına Buradan ulaşabilirsiniz.