Секвенирование отдельных сперматозоидов позволило исследовать мейотическую изменчивость

Новый метод позволил исследователям Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) исследовать одновременно геномы десятков тысяч сперматозоидов для изучения изменчивости в ходе мейоза. В проводившихся ранее исследованиях для изучения мейоза — важнейшей стадии в половом размножении, ошибки в которой могут привести к анеуплоидии, — ученые опирались на данные генотипирования семей или визуализации процесса. Стивен МакКэрролл (Steven McCarroll) из Гарварда и его коллеги создали метод, который назвали Sperm-seq, позволяющий быстро и одновременно секвенировать тысячи геномов сперматозоидов.

Исследователи использовали новый подход Sperm-seq для анализа более 31 000 сперматозоидов от 20 доноров. Как было опубликовано в Nature, они обнаружили, что частота кроссинговера и других фенотипов, относящихся к редукционному делению, варьируют от человека к человеку, а также от клетки к клетке и от хромосомы к хромосоме. Основываясь на этих выводах, исследователи разработали модель для описания диапазона наблюдаемых мейотических фенотипов.

«Наши результаты могут быть объединены с более ранними наблюдениями в единую модель, в которой основной механизм, уплотнение мейотических хромосом, генерирует индивидуальные и межклеточные вариации в различных мейотических фенотипах», − отметили МакКэрролл и его коллеги в своей статье.

Поскольку геномы сперматозоидов находятся в уплотненном состоянии, подход Sperm-seq должен был сначала обеспечить лучший доступ к их исследованию. Ученые сделали это с помощью реагентов, имитирующих ферменты, которые используют яйцеклетки, когда они деконденсируют пронуклеус сперматозоида. После такой деконденсации исследователи инкапсулировали полученные петли ДНК сперматозоидов в капельки с шариками, которые добавляли к ДНК сперматозоидов ДНК-баркоды. Для этого они адаптировали три технологии: Drop-seq, 10x Genomics Chromium Single Cell DNA и 10x Genomics GemCode. В то же время ученые разработали и адаптировали вычислительный метод для определения хромосомной фазы и плоидности, а также для выявления кроссинговера.

Исследователи проанализировали 31 228 сперматозоидов от 20 доноров спермы и смогли секвенировать медианный 1 % гаплоидного генома каждой клетки. В изученных сперматозоидах было зарегистрировано 813 122 событий кроссинговера, и частота рекомбинации колебалась между 22,2 и 28,1 на клетку, что, по словам исследователей, соответствовало предыдущим оценкам.

Кроме того, люди с высокими общими показателями кроссинговера также имели большее количество перекрёстов в среднем на каждой хромосоме.

Чаще кроссинговер наблюдался в сходных точках, в частности, в дистальных областях хромосом у разных доноров. Перекресты происходили и ближе к центромерам, но у разных людей этот показатель изменялся, причем люди с более высокой частотой рекомбинации имели более высокое число перекрёстов. Как отметили ученые, эти различия в расположении перекрёстов и интервалах между ними может отражать основные биологические факторы, которые варьируются от человека к человеку.

Ученые также обнаружили анеуплоидию в исследованных образцах. В 31 228 сперматозоидах, полученных от доноров в возрасте от 18 до 38 лет, было обнаружено 787 анеуплоидий по целой хромосоме и 133 случая дупликации или делеции плеча хромосомы. В целом на клетку приходилось от 0,01 до 0,046 случаев анеуплоидии.

Как отметили исследователи, ошибки хромосомной сегрегации могут происходить во время мейоза I и мейоза II. Ошибки во время мейоза I ведут к появлению хромосом с разной комбинацией аллелей в области центромеры, а ошибки в ходе мейоза II, напротив, дают хромосомы с тем же центромерным гаплотипом. В исследованной когорте половые хромосомы были в 2,2 раза чаще подвержены ошибкам при мейозе I, чем при мейозе II, в то время как аутосомы были в два раза чаще подвержены ошибкам при мейозе II, чем при мейозе I.

Эти различия в мейотических фенотипах между хромосомами, клетками и людьми, по предположениям ученых, обусловлены фундаментальными наследственными биологическими факторами. В модели, основанной на их выводах и выводах других ученых, они предположили, что степень компактизации генома сперматозоидов может влиять на то, где происходит кроссинговер.

«Наша модель предсказывает, что генетическая изменчивость в локусах может влиять на степень уплотнения мейотических хромосом. Тот факт, что разные варианты есть среди клеток от одного и того же донора, свидетельствует, что такая изменчивость хорошо переносится и совместима с хотя и различными, но успешными исходами мейоза», − резюмируют ученые.

Источник перевода: genomeweb.com

Автор: Марианна Королева

Научный консультант: Ольга Хрущова