Эпигенетика Y-хромосомы человека

О генетике (в том числе и о популяционной генетике)  Y-хромосомы написано немало статей — теперь пришла очередь эпигенетики. Полгода тому назад я постулировал наличие в Y-хромосоме гаплогруппно-специфичных сайтов метиляции, влияющих на экспрессию специфически мужских генов. Данная гипотеза позволила мне решить старую диллему — с одной стороны малая генетическая информативность Y-хромосомы (мало генов), c другой стороны слабая корреляция между поведением и гаплогруппой. И вот пару дней назад, китайские исследователи опубликовали статью на эту тему. Перефразируя расхожое, можно сказать: «О чем бы вы не подумали, китайцы уже написали про это статью».

Что поделать — таков закон больших чисел.

«According to the human reference sequence (hg19), the tested sites on the Y chromosome were distributed on 11 regions: TSS1500 (-1500 bp from the nearest TSS), TSS200 (-200 bp from the nearest TSS), 5’UTR, EXON1 (1st exon of genes), 3’UTR, Gene Body, CpG islands, NSHORE(-2 kb region flanking the CpG island), SSHORE (+2 kb region flanking the CpG island),NSHELF (-4 to -2 kb region flanking the CpG island), and SSHELF (+2 to +4 kb region flank-ing the CpG island) (S3 Table). The mean methylation level of all tested sites within eachregion was taken as this region’s methylation index.We found that the variation in gene body region was greater than in other regions by calcu-lating the standard deviation of each region among all samples (Fig 5A). Further, we assessed the overall methylation pattern of 53 tested genes. Result showed that the methylation patternof two genes was haplogroup O3a2b-specific (LOC100101116,TTTY1)(Fig 5C). However, wedid not find such a haplogroup-specific variation on the other 10 functional regions (Fig 5Band 5D,S5 Fig).Fig 5. The methylation pattern of functional regions on the Y chromosome.A) Box plots showing thestandard deviation of methylation level within each region. The median line indicates the average methylationlevel, the edges represent the 25th/75th percentile, and the whiskers represent the 2.5th/97.5th percentile. B−D). Heat map showing the methylation levels of 38 detected TSS1500 regions (B), 53 gene body regions(C), and 55 CpG island regions (D)»

 

Я пролистал статью китайских генетиков про консервативность эпигенетичских паттернов на Y-хромосоме. К сожалению, авторы ограничиваются только важными для юго-восточной Азии ветвями гаплогруппы O2 и O3 (особо выделяются когорты потомков разных императоров), а интересно было бы сравнить эпигенетические паттерны у носителей этой гаплогруппы с таковыми у других евразийских, американских и африканских гаплогрупп и изучить животрепещущие вопросы:

1.  Дает ли преимущество разница в профилях метиляции ДНК Y-хромосом?
2. Если дает, то какого рода c учетом мужской специфики? Возможные варианты: разница в фертильности спермы, отличия в уровне выработки тестостерона — и влияние на сопутствующие мужские признаки телесной конституции и поведения?
3.  Помогает ли понимание разницы метилирования ДНК мужской половой хромосоомы объяснить разницу в физических, гендерных, функциональных, эмоциональных и интеллектуальных чертах мужчин разных гаплогрупп?

Вот о чем надо было рассуждать, а не о эволюционной консервативности метиляции Y-хромосомы. Это и так понятно любому думающему человеку.

2014 год — год палеогенетики и эпигенетики

Оглядываясь назад на события и открытия, коими в уходящем 2014 году ознаменовалась область исследований генетики человека, можно смело сказать что уходящий год был годом прорыва в двух принципиально различных направлениях — в палеогенетике, изучающей геномы популяций древних людей прошлого, и  в эпигенетике,  с помощью которой можно прогнозировать будущее (здоровье и качество жизни) отдельных людей.

---

Палеогенетика

В самом начале 2014 года, на руках немногочисленных исследователей  палеогеномов было менее десятка древних геномов человека, опубликованных в предыдущие года. К концу 2014 года опубликован ряд работ, посвященных попыткам генотипирования останков древних людей — от живших несколько тысячелетий назад до «усть-ишимца» с предположительным возрастом около 45 тысяч лет, неандертальцев и «денисовки». Количество таких расшифровок растет все быстрее, что не может не вызывать оптимизма.  Вторая половина 2014 года особенно примечательна как количеством подобных публикаций, так и числом полных геномных NGS-сиквенсов древних людей, размещенных в публичных репозиториях (банках геномных данных). Так, в сентябре в Nature была опубликована окончательная версия работы Lazaridis et al. 2014  «Ancient human genomes suggest three ancestral populations for present-day Europeans». Работа получила широкое освещение в СМИ, поскольку аналитическая выборка сэмплов в этом исследовании включала значительное количествао заново генотипированных (на чипе Affymetrix HumanOrigin) образцов ДНК из древних палеолитических стоянок Сибири (Афонтова Гора, Малта), представителя древней индейской культуры Кловис и палеоэскимоса Cаккак. В работе был представлен  целый  ряд образцов древней ДНК представителей европейских мезолитических и неолитических культур, опубликованных в более ранних работах 2012-2014 годов: Skoglund et a. 2014 «Genomic Diversity and Admixture Differs for Stone-Age Scandinavian Foragers and Farmers»(шведские земледельцы и охотники собиратели эпохи неолита); Olalde et al. 2014 «Derived immune and ancestral pigmentation alleles in a 7,000-year-old Mesolithic European» (дДНК мезолитического населения Иберийского полуострова) и т.д.

Опубликованные геномы так и остались бы достоянием небольшой группы ученых, и по-прежнему бы использовались бы только для сравнения с абстрактными и анонимизрованных данными референсных популяций человека, если бы усилиями пары любителей (прежде всего усилиям Чандракумара) палеогеномы не были преобразованы в привычные и удобные для популяционного анализа форматы  BAM, VCF и Plink binary, а также в стандартный формат геномных данных от FTDNA. По своей сути, преобразование состояло в сложной процедуре сборки генома из библиотек коротких геномных ридов (в формате sra., в котором эти риды хранятся в репозиториях крупных баз геномных данных). Полученные сборки геномов в формате sam/bam cравниваются с референсным геномом человека, и отличающиеся одиночные нуклеотидные полиморфизмы сохраняются в VCF файл. Здесь нужно помнить о том, что в этой процедуре не учитывался параметр качества сиквенса PHRED score. Традиционно рекомендуется использовать только те базовые пары, PHRED score которых превышает 30, т.е чья точность определения составляет 99.9% (или 1 ошибка на 1000 базовых пар). Кроме того, в этой процедуре разработчик не учел влияние постмортальных изменений ДНК. Cледует помнить, что ДНК, как и любая биомолекула, способна вступать в химические реакции с окружающим миром, тут-то и появляются различные модификации нуклеотидов (особенно по краям фрагментов древней ДНК). Наиболее частая постмортальная мутация — дезаминирование цитозинов (C), приводящая к возникновению урацилов (U) в последовательности древней ДНК, которые при проведении ПЦР многократно копируются «бездушным» ферментом ДНК-полимеразой как тимин (Т). Именно по этой причине, при оценке достоверности снипов в полученных из палеогеномов вариантах особое внимание требуется уделять транзициям C->T и  G->A.  Если при подсчете вариантов окажется, что такие транзиции встречаются чаще ожидаемого, то можно сделать вывод о существенном повреждении палео-ДНК.  И хотя по причине игнорирования этих ограничений, автором было получено большое количество снипов, в некоторых случаях, например при объединении полученных данных NGS c данными генотипирования с помощью классических технологий миркочипов, использование таких данных может существенно уменьшить качество интерпретации.

Тем не менее, благодаря этим усилиям, и не в меньшей степени, благодаря соотрудничеству с порталом Gedmatch и компанией  FTDNA, большинство клиентов ведущих компаний на рынке персональной геномики и генетической генеалогии (таких как 23andme, и FTDNA) могут сравнить свои данные с данными древних геномов либо путем сравнения частото аллелей, либо посегментно сравнивая свои хромосомы с гомологичными хромосомами древних геномов.  Более того, Феликс Чандракумар пошел дальше и разместил 10 наиболее качественных палеогеномов (т.е палеогеномов с наибольшим числом перекрывающихся разными микроматрицами снипов) на FTDNA. Таким образом, с помощью сервиса MyOrigins FTDNA, исследователи могут установить распределение «этно-популяционных составляющих» или «предковых этнопопуляционных компонентов» в этих древних геномов. Нужно помнить, конечно же, что в случае с наиболее древними геномами (геномами неандертальца, усть-ишимца и т.д.) полученное распределение более молодых компонентов (полученных из современных популяций) нельзя интерпретировать буквально.

Эту замечательную функцию дополняют калькуляторы Eurogenes, благодаря которым любой интересующийся человек может посмотреть, какой процент его/ее генома приходится на тот или иной древний геном. Для людей, озабоченных вопросами анонимности, Феликс разработал отдельное десктопное приложение  — калькулятор древней ДНК. Этот калькулятор  показывает, какой процент ДНК (составных сегментов) аутосомной ДНК клиента попадает в каждый из 30 образцов древней ДНК . Другими словами, он показывает  процент общих предков в сравнении современного ДНК и палеоДНК.

Подводя итоги года, можно сказать, что в области изучения древней ДНК все ожидания были оправданы.

---

Эпигенетика

Под эпигенетикой обычно понимают область знаний о совокупности свойств организма, которые не закодированы непосредственно в геноме, но могут и должны передаваться по наследству.Эпигенетика может быть определена как изучение механизмов контроля активности генов во времени и пространстве в процессе развития сложных организмов. К настоящему времени обнаружены и описаны различные механизмы контроля активности генов, однако в уходящем 2014 году особое внимание ученые уделяли  изучению одного из таких механизмов  — ферментативному (энзиматическому) метилированию самой генетической матрицы, то есть ДНК.

Метилирование — это изменение молекулы ДНК путем присоединения метильной группы (-СH3) к нуклеотиду C, причем необходимо, чтобы за С следовал нуклеотид G. Последовательность нуклеотидов -CG- называется СpG динуклеотидом, или CpG сайтом. Метилирование происходит не во всех клетках одновременно, поэтому говорят о проценте метилирования определенного CpG сайта.метилирование ДНК ощутимо сказывается на её взаимодействии (связывании) с различными белками. Во многих случаях метилирование по цитозиновым остаткам препятствует связыванию специфично реагирующих с ДНК ядерных белков (факторов), которые, собственно, и осуществляют разные генетические процессы, в том числе транскрипцию, репликацию и репарацию.Как известно, метилирование играет важнейшую роль в механизме экспрессии (т.е качественном и количественном проявлени) генотипа в фенотип. оказано, что с изменением профиля метилирования связаны такие заболевания, как различные виды рака, диабет первого и второго рода, шизофрения и т.д. Поэтому важно уметь анализировать профиль метилирования генома, и здесь перед энзимологией расскрываются огромные перспективы. Например, в 2014 году компания «СибЭнзайм» открыла новый фермент, на базе которого разработали новый метод детекции. Он позволяет определять, включен или выключен интересующий вас ген — э то управляющий механизм в организме, именно отключение отдельных генов ученые связывают с развитием рака:

С технической точки зрения, изучение метиляции ДНК происходит с использованием модифицированного варианта ChiPSeq (это комбинированный вариант иммунопреципитации хроматина (ChIP) и высокоэффективного секвенирования ДНК для определения участков связывания ДНК и белков). Не вдаваясь в биолого-химические подробности этого модифицированного метода, его можно кратко описать следующим образом. Каждый CpG сайт измеряется с помощью двух флуоресцентных проб. Флуоресцентный сигнал проб пропорционален соответственно количеству метилированных и неметилированных CpG сайтов в тестируемом образце.  Полученные данные образуют собой профиль метилирования, который удобно сравнивать с различными референсными образцами. Как уже говорилось выше, этот профиль можно использовать не только для медицинских целей (например, для изучения эпигенетических факторов развития различных заболеваний), но и для более общих целей. В недавном исследовании, проведённом специалистами из Калифорнийского университета (UCLA), выявило биологические часы, встроенные в геном человека и оно впервые определило, что внутренние часы в состоянии точно оценить возраст различных человеческих органов, тканей и клеток. Исследователи обратили свое внимание на метилировании – естественном процессе, изменяющем химический состав ДНК. Он изучил 121 набор данных, собранных ранее исследователями, изучавшими метилирование здоровых и раковых тканей человека. Проанализировав информацию по 8000 образцов из 51 типа тканей и клеток со всего тела, исследователи смогли определить, как возраст влияет на уровни метилирования с рождения до 101 года. Он определил, что метилирование работает на 353 участках ДНК, которые изменяются с возрастом. Таким образом, профиль метилирования ДНК представляет собой наиболее надежную метрику для расчетов биологического возраста как отдельных органов, так и всего организма.

Принимая это во внимание, можно сказать что и в последующие года эпигенетику ожидают радужные перспективы.

Скрытые возможности клиентских данных 23andme в плане молекулярной диагностики.

Компания 23andme не нуждается в особом представлении читателям этого блога. Вплоть до конца прошлого года компанию занимало существенный сегмент рынка персональной геномики, ориентированного на предоставление  клиентам информации о генетических медицинских рисках (genetic risks) и генетической генеалогии (genetic origin). Информация о медико-генетических рисках содержалась в ряде сервисов портала компании, а также в доступном для скачивания отчета о генетических рисках и, разумеется, в первичных данных генетического отчета, в котором содержались значимые с точки зреемя медико-генетического диагностирования генетические полиморфизмы (SNP).

Всвязи с известными событиями и последующим за ними предписанием USA Food and Drug Administration (FDA) компании 23andme о запрете выпуска на рынок услуг персонального геномического диагностирования своего «медицинского девайза» (т.е интерпретации медико-генетических рисков развития заболеваний), компании пришлось сузить свою сферу деятельности до оказания генетико-генеалогических услуг.

Несмотря на это досадное обстоятельство, сказавшееся нелучшим образом на динамике увеличения клиентской базы компании,  нужно помнить, что все клиенты сохранили доступ к своим первичным данным тестирования (т.е списку снипов с генотипами). И при вдумчивом, творческом подходе любой человек может не только «вытащить» из этих «cырых данных» важную с точки зрения медицины информацию, но и заменить спомощью полученной информацией результаты более традиционных тестов.

Каковы могут быть варианты использования данных 23andmе не в привычных генеалогических целях, а скажем для получения сведений, который могут впоследствии пригодится для молекулярного диагностирования?

Я приведу пару примеров такого использования.

Определение HLA-фенотипа.

На мембране клеток организма присутствуют продукты генов всех локусов, размещенных на обеих нитях 6-й хромосомы.

 

 

Это означает, что HLA-гены наследуются по кодоминантному типу, т. е. одну хромосому ребенок наследует от матери, а другую – от отца. Как уже упоминалось, совокупность генов, расположенных на одной хромосоме, составляет гаплотип. Таким образом, у человека два гаплотипа и каждая клетка организма несет на себе диплоидный набор антигенов системы HLA, один из которых кодируется HLA-генами матери, а другой – отца. Исключение составляют половые клетки (яйцеклетка и сперматозоид), каждая из которых содержит в своем ядре только по одному гаплотипу.

Антигены гистосовместимости, выявляемые на клетках конкретного человека, составляют HLA-фенотип. Для его определения необходимо произвести фенотипирование клеток индивида. Как правило, “типируются” лимфоциты периферической крови. До настоящего времени в большинстве лабораторий HLA-A. В, С и DR-антигены определяют при помощи серологических методов, в частности, лимфоцитотоксического теста. тот тест основан на способности анти-НLА-антител в присутствии комплемента разрушать лимфоциты, несущие соответствующие антигенные детерминанты. Гибель клеток демонстрируется при помощи добавления трипанового синего. При этом мертвые поврежденные клетки окрашиваются, и под микроскопом учитывается их количество.

Эти тесты часто требуются в ходе стандартных медицинских процедур обследования во время начала беременности, или для изучения этологии аутоимунных заболеваний. Еще более важно определение гистосовеместимости в транплантологии, где типирование HLA-фенотипа  донора является обязательным условием.

Однако, с приходом новых микроматричных технологий опеределния нуклеотидов ДНК и биоинформатических методов рутинной обработки последовательности человеческих геномов , появился дешевая и относительно простая альтернатива классическим серологическим тестам (которые стоят в интервале от 100 до 500 долларов).

Я не буду останавливаться на принципиальном описании процедур, с помощью которых на основании данных 23andme можно с помощью метода «импутирования» определить HLA-фенотип, так как в прошлом году я уже разместил в этом блоге пошаговую инструкцию для выполнения этой задачи.

Впрочем, уже после того, как  я отписался на эту тему здесь,  в департаменте биостатистики Университета Вашингтона был разработан алгоритм HIBAG который принципиально мало чем отличается от алгоритма HLA*IMP (в обеих алгоритмах используется training model, позволяющая определять фенотип HLA по снипам 23andme).  Входные данные программного решения этого алгоритма (язык R) представляют собой формат Plink. А так как в последней версии Plink была включена нативная поддержка формата 23andme, то преобразовать данные 23andme в бинарный формат Plink не сооставит особого труда. Что касается обработки данных в HIBAG, то примерный порядок выполнения команд выглядит следующим образом:

# Load the published parameter estimates from European ancestry
model.list <- get(load(«European-HLA4.RData»))#########################################################################
# Import your PLINK BED file
#
yourgeno <- hlaBED2Geno(bed.fn=».bed», fam.fn=».fam», bim.fn=».bim»)
summary(yourgeno)

# HLA imputation at HLA-A
hla.id <- «A»
model <- hlaModelFromObj(model.list[[hla.id]])
summary(model)
# HLA allele frequencies
cbind(frequency = model$hla.freq)

# SNPs in the model
head(model$snp.id)
# «rs2523442» «rs9257863» «rs2107191» «rs4713226» «rs1362076» «rs7751705»
head(model$snp.position)
# 29525796 29533563 29542274 29542393 29549148 29549597

# best-guess genotypes and all posterior probabilities
pred.guess <- predict(model, yourgeno, type=»response+prob»)
summary(pred.guess)
pred.guess$value
pred.guess$postprob

 

 

Панель метилирования Яско

В последние 10 лет, крупные генетические исследования выявили сотни генных мутаций, которые возникают чаще у аутичных пациентов, чем в общей популяции. Тем не менее, каждый пациент имеет только одну или несколько из этих мутаций, что затрудняет разработку лекарств против болезни. В настоящее время, изучением генетических факторов аутизма занимается большое количество врачей-генетиков,  одним из них является доктор Эми Яско занимается исследованиями генных мутаций у аутистов. Как показали многочисленные молекулярно-генетические обследования и спектрометрия аминокислот, органических кислот и карнитинов, значительное количество аутистов страдает метаболическими нарушениями.  Есть виды аутизма, вызываемые именно этими генетическими нарушениями обмена вещест.

Доктор Эми Яско разработала тест на панель метиляции Яско — тест этот дорогой, стоит 500 долларов, в этой проверяют что-то около 30 генных полиморфизмов (снипов). Выбор снипов в этой панели мотивирован тем, что эти снипы связаны с  определенными генами на «молекулярно-биохимическом пути метиляции» (methyliation pathway),  т.е генами которые влияют на способность организма выполнять ряд ключевых биохимических функций. Наличие генетических дисбалансов,  т.е снипов в пути метиляции, будет ограничивать эффективность пути метиляции.

 

 

К счастью клиентов 23andme, чипсет снипов этой компании включает в себя если не все, то большую часть снипов панели Яско.
Один из проектов, возникший всвязи с неудовлетворенной потребностью клиентов в более развернутой и детальной обработке данных 23andme, Genetic Genie предлагает  условно-бесплатный сервис с помощью которого данные релевантных снипов можно привести к  традиционному виду таблицы с отчетом по панели Яско:

Gene & Variation	rsID	Alleles	Result
COMT V158M	rs4680	AA	+/+
COMT H62H	rs4633	TT	+/+
COMT P199P	rs769224	GG	-/-
VDR Bsm	rs1544410	CC	-/-
VDR Taq	rs731236	__	no call
MAO-A R297R	rs6323	TT	+/+
ACAT1-02	rs3741049	AG	+/-
MTHFR C677T	rs1801133	GG	-/-
MTHFR 03 P39P	rs2066470	AG	+/-
MTHFR A1298C	rs1801131	GG	+/+
MTR A2756G	rs1805087	AA	-/-
MTRR A66G	rs1801394	GG	+/+
MTRR H595Y	rs10380	CC	-/-
MTRR K350A	rs162036	AA	-/-
MTRR R415T	rs2287780	CC	-/-
MTRR A664A	rs1802059	AG	+/-
BHMT-02	rs567754	CC	-/-
BHMT-04	rs617219	AA	-/-
BHMT-08	rs651852	__	no call
AHCY-01	rs819147	__	no call
AHCY-02	rs819134	__	no call
AHCY-19	rs819171	__	no call
CBS C699T	rs234706	GG	-/-
CBS A360A	rs1801181	__	no call
CBS N212N	rs2298758	__	no call
SHMT1 C1420T	rs1979277	__	no call

Несмотря на то, что на выходе клиент получает  готовый частный отчет по тесту Яско, медико-биологическая интерпретация результатов не так уж и проста, и требует определенной интеллектуальной сноровки и общегенетической эрудиции в плане понимания того, какую функцию выполняет тот или иной ген. Строго говоря, при грамотной интерпретации этих результатов, можно самостоятельно составить себе диету из витаминов-пищевых добавок, которые позволяет компенсировать обусловленный генетическим дисбалансом дефицит тех или иных энзимов.Примерный образец интерпретации можно посмотреть здесь