某些DNA序列可以形成經(jīng)典雙螺旋以外的其他結構。這些被稱(chēng)為非B DNA的替代構象，在調節細胞過(guò)程和基因組進(jìn)化中發(fā)揮著(zhù)重要作用，但由于它們的DNA往往較為重復，之前一直難以可靠地讀取和組裝。如今，由賓夕法尼亞州立大學(xué)生物學(xué)家領(lǐng)導的研究團隊已全面預測出大猩猩中非B DNA結構的位置。這是理解這些結構的功能和進(jìn)化的第一步，研究團隊表示，這些結構已知與某些遺傳特征相關(guān)。

該研究依賴(lài)于近期獲得的人類(lèi)及其他大猩猩的端到端（T2T）基因組，這些基因組克服了與重復DNA相關(guān)的測序與組裝困難，從而填補了基因組中的空白。描述該研究的一篇論文今日在《Nucleic Acids Research》期刊上發(fā)表，結果顯示非B DNA在新測序的基因組片段中富集，并暗示可能的新功能。

“當人類(lèi)基因組在2001年首次發(fā)布時(shí)，其實(shí)并不完整，”賓夕法尼亞州立大學(xué)生命科學(xué)教授、研究團隊負責人Kateryna Makova表示。“約有8%的基因組，主要是重復DNA，未能確定，因為當時(shí)可用的技術(shù)和計算算法無(wú)法重建這些區域。在2022年和2023年，端到端聯(lián)盟進(jìn)行了重大努力，填補了人類(lèi)基因組的這些空白，而今年我們也對所有大猩猩完成了同樣的工作。”

對于大多數已測序的基因組，研究人員通常使用短讀長(cháng)DNA測序技術(shù)。這些技術(shù)首先將基因組分解為數百萬(wàn)個(gè)微小片段進(jìn)行測序，然后必須像拼圖一般重新組裝。

“基因組的大部分由重復DNA構成，這些DNA序列可能是數百或數千個(gè)相同短序列緊挨著(zhù)排列在染色體上，”該論文的第一作者、賓夕法尼亞州立大學(xué)博士后研究員Linnéa Smeds表示。“這對從短讀長(cháng)組裝基因組構成了挑戰，因為有太多的拼圖塊看起來(lái)相同。T2T基因組通過(guò)使用新型長(cháng)讀長(cháng)測序技術(shù)克服了這一困難，使我們能夠以較少但更長(cháng)的片段測序基因組。這使我們可以首次探索這些區域，尋找諸如非B DNA等有趣的功能元素。”

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1070456

圖片信息：圖像顯示了類(lèi)人猿（左）之間的進(jìn)化關(guān)系，包括黑猩猩、倭黑猩猩、人類(lèi)、大猩猩和兩種猩猩物種（從上到下），以及具有規范螺旋和非 B DNA 的代表性染色體（右）的插圖。

非B DNA可以有多種形式，包括彎曲的DNA、發(fā)夾結構、G-四鏈體（G4）以及基于特定序列的Z-DNA，這些形式通常具有重復特征。這些結構近期已被認為在多個(gè)細胞過(guò)程中發(fā)揮作用，例如細胞分裂期間的DNA復制啟動(dòng)、基因表達調控，以及端粒（染色體末端的保護結構）和著(zhù)絲粒（染色體中的重要結構）在細胞分裂過(guò)程中所起的作用。研究團隊在T2T基因組中尋找這些序列基序，以識別在人類(lèi)、黑猩猩、倭黑猩猩、猩猩、兩種紅猩猩和使者猿等大猩猩中的所有潛在非B結構區域。

“我們現在對這些基因組中可能形成非B DNA的基序有了全面的認識，”Smeds說(shuō)。

研究團隊發(fā)現，新解碼的基因組序列富含非B基序，并且非B DNA的分布模式在不同猿類(lèi)物種中大致相似。已知大猩猩的基因組中重復DNA的比例較高，因此也包含了更多的潛在非B DNA基序。

非B DNA通常具有更高的突變率且可能不穩定，這可能導致DNA斷裂并促使染色體重排。研究人員表示，這可能對基因組進(jìn)化及某些遺傳特征影響深遠。

“最近一種稱(chēng)為衛星DNA的重復DNA被發(fā)現是與唐氏綜合癥某種類(lèi)型相關(guān)的21號染色體轉位的斷點(diǎn)，”Smeds指出。“我們發(fā)現Z-DNA（非B DNA的一種）的基序在該區域的頻率比基因組其他部分高出97倍，這可能表明非B DNA在這類(lèi)染色體重排中起到作用，但還需進(jìn)一步研究來(lái)驗證這種關(guān)系。”

目前，研究人員僅分析了少量基序，并實(shí)驗確認了非B DNA結構的確存在，但強調絕大多數仍需追加確認。

“在特定基序處非B DNA結構的形成幾乎肯定與其環(huán)境相關(guān)，”Makova表示。“這可能取決于細胞類(lèi)型、發(fā)育階段及基因組環(huán)境，包括如甲基化等DNA修飾。近年來(lái)，我們對基因組的理解發(fā)生了轉變，不僅關(guān)注序列，還包括結構。我們希望我們的研究能夠為進(jìn)一步探討這些新穎結構特性的功能奠定基礎。”

期刊：Nucleic Acids Research

DOI：10.1093/nar/gkaf298