Researchers have discovered new regions of the human genome particularly vulnerable to mutations. These altered stretches of DNA can be passed down to future generations and are important for how we study genetics and disease.

The regions are located at the starting point of genes, also known as transcription start sites. These are sequences where cellular machinery starts to copy DNA into RNA. The first 100 base pairs after a gene’s starting point are 35% more prone to mutations compared with what you’d expect by chance, according to the study published today in Nature Communications.

“These sequences are extremely prone to mutations and rank among the most functionally important regions in the entire human genome, together with protein-coding sequences,” explains Dr. Donate Weghorn, corresponding author of the study and researcher at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.

The study found that many of the excess mutations appear immediately after conception, during the first few rounds of cell division in the human embryo. Also known as mosaic mutations, these changes to the DNA sequence end up in some cells but not others and are part of the reason the mutational hotspot has gone undiscovered until now.

A parent can carry disease-contributing mosaic mutations without symptoms because the change ends up in some cells or tissues only. However, they can still pass the mutation on through their eggs or sperm. The child then carries the mutation in all their cells, which could cause disease.

The researchers made the discovery by looking at transcription start sites across 150,000 human genomes from the UK Biobank and 75,000 from the Genome Aggregation Database (gnomAD). They compared the results with data that included information about mosaic mutations from eleven separate family studies.

They found that many gene starting sites across the human genome experienced excess mutations. When the researchers looked more closely, they found the most affected regions were the starting points of sets of genes linked to cancer, brain function and defective limb development.

The mutations are likely to be harmful. The study found a strong excess of mutations near start sites when looking at extremely rare variants, which are normally very recent mutations. That excess shrunk when looking at older, more common variants, suggesting natural selection is filtering the mutations out. In other words, families with mutations in gene starting sites, particularly those linked to cancer and brain function, are less likely to pass them on. Over generations, the mutations do not stick around.

Avoiding false conclusions and finding missed clues

The study can help avoid false conclusions from mutational models. These are tools which help geneticists determine how many mutations are to be expected in specific regions of the genome if nothing special is going on. Clinically, that baseline is used to determine which variants should be paid attention to and which deprioritised.

Knowing that gene starting points are natural mutational hotspots means the true baseline in these regions is higher than previously thought and models need to be recalibrated to take that into account.

“If a model doesn’t know this region is naturally mutation-rich, it might expect, say, 10 mutations but observe 50. If the correct baseline is 80, then 50 means fewer than expected and is a sign harmful changes are being removed by natural selection. You would completely miss the importance of that gene,” explains Dr. Weghorn.

The study also has implications for genetic studies which only look for mutations present in the child and completely absent in parents. This works well for mutations that are present in every cell, but not for mosaic mutations which end up in a patchwork of different tissues. These studies are filtering out mosaic mutations and inadvertently losing important information about potential contributors to disease.

“There is a blind spot in these studies. To get around this, one could look at the co-occurrence patterns of mutations to help detect the presence of mosaic mutations. Or look at the data again and revisit discarded mutations that occur near the transcription starts of genes most strongly affected by the hotspot,” says Dr. Weghorn.

A new source of mutations

The process of transcribing DNA into RNA is hectic. The study explains the mutational hotspot exists because the molecular machinery involved often pauses and restarts near the start line. It can even fire in both directions. At the same time, short-lived structures can form that briefly leave one strand of DNA exposed to possible damage.

All of this, the authors argue, makes transcription start sites more prone to mutations during the rapid cell divisions that follow conception. Cells can usually repair these alterations, but under the pressure of needing to grow fast, cells leave some mutations unpatched like scars on the human genome.

The discovery adds a previously missing piece on how mutations arise in the first place. The obvious culprits, like errors during DNA replication or damage from ultraviolet rays, have been known about for decades. “Finding a new source of mutations, particularly those affecting the human germline, doesn’t happen often,” concludes Dr. Weghorn.

EN CASTELLANO

Descubren un nuevo foco de mutaciones en el genoma humano 

Se han descubierto nuevas regiones del genoma humano particularmente vulnerables a las mutaciones. Estos tramos alterados de ADN pueden transmitirse a generaciones futuras y son importantes para investigaciones genéticas y para saber cómo abordar ciertas enfermedades.

Las regiones están situadas en el punto de inicio de los genes, también conocido como sitios de inicio de la transcripción. Se trata de secuencias donde la maquinaria celular comienza a copiar el ADN en ARN. Según el estudio publicado hoy en Nature Communications, las primeras 100 bases posteriores al punto de inicio de un gen son un 35% más propensas a registrar mutaciones en comparación con lo que cabría esperar por azar.

"Estas secuencias son extremadamente proclives a mutaciones y se encuentran entre las regiones funcionalmente más importantes de todo el genoma humano, junto con las secuencias codificantes de proteínas", explica la Dra. Donate Weghorn, autora principal del estudio e investigadora en el Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona.

El estudio constató que muchas de las mutaciones excesivas aparecen inmediatamente después de la concepción, durante las primeras rondas de división celular en el embrión humano. Conocidas también como mutaciones en mosaico, estos cambios en la secuencia del ADN acaban presentes en algunas células, pero no en otras, y son una de las razones por las que este foco mutacional ha pasado desapercibido hasta ahora.

Un progenitor puede portar mutaciones en mosaico que contribuyen a la enfermedad sin presentar síntomas, porque el cambio afecta solo a algunas células o tejidos. Sin embargo, aún puede transmitir la mutación a través de los óvulos o espermatozoides. El hijo o hija, entonces, porta la mutación en todas sus células, lo que podría causar la enfermedad. 

El descubrimiento se realizó analizando sitios de inicio de transcripción en 150.000 genomas humanos del UK Biobank y 75.000 del Genome Aggregation Database (gnomAD). Los resultados se compararon con datos que incluían información sobre mutaciones en mosaico procedentes de once estudios familiares independientes.

Se observó que muchos sitios de inicio de la transcripción del genoma humano acumulaban mutaciones en exceso. Cuando se analizaron estos datos con mayor detalle, los autores del estudio identificaron que las regiones más afectadas eran los inicios de conjuntos de genes vinculados al cáncer, la función cerebral y anomalías en el desarrollo de las extremidades.

Es probable que estas mutaciones sean perjudiciales. El estudio detectó un marcado exceso de mutaciones cerca de los puntos de inicio al examinar variantes extremadamente raras, que suelen corresponder a mutaciones muy recientes. Dicho exceso se redujo al analizar variantes más antiguas y comunes, lo que sugiere que la selección natural filtra estas mutaciones.

En otras palabras, las familias con mutaciones en el punto de inicio de los genes, en particular aquellas relacionadas con cáncer y función cerebral, son menos propensas a transmitirlas. A lo largo de generaciones, las mutaciones no perduran.

Evitar conclusiones erróneas y encontrar pistas pasadas por alto

El estudio puede ayudar a evitar conclusiones erróneas derivadas de los modelos mutacionales. Estas herramientas permiten a los genetistas estimar cuántas mutaciones deberían esperar encontrarse  en regiones concretas del genoma si no ocurre nada especial. Clínicamente, este umbral se utiliza para determinar qué variantes deben considerarse prioritarias y cuáles no.

Saber que los puntos de inicio génico son focos naturales de mutaciones implica que el umbral real en estas regiones es más alto de lo que se pensaba, y los modelos deben recalibrarse para tenerlo en cuenta.

"Si un modelo no sabe que esta región es naturalmente rica en mutaciones, podría esperar ver, por ejemplo, 10 mutaciones, pero observar 50. Si el umbral correcto es 80, entonces 50 supone menos de lo esperado y es una señal de que los cambios perjudiciales están siendo eliminados por la selección natural y pasarías por alto la importancia de ese gen", explica la Dra. Weghorn.

El estudio también tiene implicaciones para los análisis genéticos que solo buscan mutaciones presentes en el hijo y completamente ausentes en los progenitores. Este enfoque funciona bien para mutaciones presentes en todas las células, pero no para mutaciones en mosaico que acaban distribuidas de forma irregular entre distintos tejidos. Estos análisis están filtrando mutaciones en mosaico y descartando inadvertidamente información relevante sobre posibles contribuyentes a enfermedades.

"Existe un punto ciego en estos estudios. Para sortearlo, podría examinarse el patrón de coocurrencia de mutaciones para ayudar a detectar la presencia de mutaciones en mosaico. O revisar los datos y reevaluar mutaciones descartadas que aparezcan cerca de los inicios de transcripción de los genes más afectados por el foco mutacional", afirma la Dra. Weghorn.

Una nueva fuente de mutaciones

El proceso de transcribir ADN en ARN es caótico. El estudio explica que el foco mutacional existe porque la maquinaria molecular implicada suele detenerse y reiniciarse cerca de la línea de salida, e incluso puede activarse en ambas direcciones. Al mismo tiempo, pueden formarse estructuras efímeras que dejan expuesta temporalmente una de las hebras de ADN a posibles daños.

Todo esto, sostienen los autores, hace que los puntos de inicio de la transcripción sean más propensos a mutaciones durante las rápidas divisiones celulares que siguen a la concepción. Por lo general, las células pueden reparar estas alteraciones, pero bajo la presión de crecer con rapidez, algunas mutaciones quedan sin corregir, como cicatrices en el genoma humano.

El descubrimiento añade una pieza que faltaba para entender cómo surgen las mutaciones en primer lugar. Los culpables evidentes, como los errores durante la replicación del ADN o los daños causados por la radiación ultravioleta, se conocen desde hace décadas. "Encontrar una nueva fuente de mutaciones, especialmente aquellas que afectan a la línea germinal humana, no ocurre a menudo", concluye la Dra. Weghorn. 

EN CATALÀ

Descobreixen un nou focus de mutacions en el genoma humà

S'han descobert noves regions del genoma humà particularment vulnerables a les mutacions. Aquests trams alterats d'ADN es poden transmetre a generacions futures i són importants per a investigacions genètiques i per saber com abordar certes malalties.

Les regions estan situades en el punt d'inici dels gens, també conegut com a llocs d'inici de la transcripció. Es tracta de seqüències on la maquinària cel·lular comença a copiar l'ADN en ARN. Segons l'estudi publicat avui a Nature Communications, les primeres 100 bases posteriors al punt d'inici d'un gen són un 35% més propenses a registrar mutacions en comparació amb el que caldria esperar per atzar.

"Aquestes seqüències són extremadament proclius a mutacions i es troben entre les regions funcionalment més importants de tot el genoma humà, juntament amb les seqüències codificadores de proteïnes", explica la Dra. Donate Weghorn, autora principal de l’estudi i investigadora al Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona.

L'estudi va constatar que moltes de les mutacions excessives apareixen immediatament després de la concepció, durant les primeres rondes de divisió cel·lular en l'embrió humà. Conegudes també com a mutacions en mosaic, aquests canvis en la seqüència de l'ADN acaben essent presents en algunes cèl·lules, però no en d'altres, i són una de les raons per les quals aquest focus de mutacions ha passat desapercebut fins ara.

Un progenitor pot portar mutacions en mosaic que contribueixen a la malaltia sense presentar símptomes, perquè el canvi afecta només algunes cèl·lules o teixits. Tanmateix, encara pot transmetre la mutació a través dels òvuls o espermatozoides. El fill o filla, llavors, porta la mutació en totes les seves cèl·lules, cosa que podria causar la malaltia.

El descobriment es va realitzar analitzant llocs d'inici de transcripció en 150.000 genomes humans de l 'UK Biobank i 75.000 del Genome Aggregation Database (gnomAD). Els resultats es van comparar amb dades que incloïen informació sobre mutacions en mosaic procedents d'onze estudis familiars independents.

Es va observar que molts llocs d'inici de la transcripció del genoma humà acumulaven mutacions en excés. Quan es van analitzar aquestes dades amb més detall, els autors de l'estudi van identificar que les regions més afectades eren els inicis de conjunts de gens vinculats al càncer, la funció cerebral i anomalies en el desenvolupament de les extremitats.

És probable que aquestes mutacions siguin perjudicials. L'estudi va detectar un marcat excés de mutacions a prop dels punts d'inici en examinar variants extremadament rares, que solen correspondre a mutacions molt recents. Aquest excés es va reduir en analitzar variants més antigues i comunes, cosa que suggereix que la selecció natural filtra aquestes mutacions.

En altres paraules, les famílies amb mutacions en el punt d'inici dels gens, en particular aquelles relacionades amb càncer i funció cerebral, són menys propenses a transmetre-les. Al llarg de generacions, les mutacions no perduren. 

Evitar conclusions errònies i trobar pistes passades per alt

L'estudi pot ajudar a evitar conclusions errònies derivades dels models de mutacions. Aquestes eines permeten als genetistes estimar quantes mutacions s'haurien d'esperar trobar en regions concretes del genoma si no passa res especial. Clínicament, aquest llindar s'utilitza per determinar quines variants s'han de considerar prioritàries i quines no. 

Saber que els punts d'inici gènic són focus naturals de mutacions implica que el llindar real en aquestes regions és més alt del que es pensava, i els models s'han de recalibrar per tenir-ho en compte.

"Si un model no sap que aquesta regió és naturalment rica en mutacions, podria esperar veure, per exemple, 10 mutacions, però observar-ne 50. Si el llindar correcte és 80, llavors 50 suposa menys del que s’esperava i és un senyal que els canvis perjudicials estan essent eliminats per la selecció natural i passaries per alt la importància d'aquest gen", explica la Dra. Weghorn.

L'estudi també té implicacions per a les anàlisis genètiques que només busquen mutacions presents en el fill i completament absents en els progenitors. Aquest enfocament funciona bé per a mutacions presents en totes les cèl·lules, però no per a mutacions en mosaic que acaben distribuïdes de forma irregular entre diferents teixits. Aquestes anàlisis estan filtrant mutacions en mosaic i descartant inadvertidament informació rellevant sobre possibles contribuents a malalties.

"Existeix un punt cec en aquests estudis. Per sortejar-lo, podria examinar-se el patró de coocurrència de mutacions per ajudar a detectar la presència de mutacions en mosaic. O revisar les dades i reavaluar mutacions descartades que apareguin a prop dels inicis dels gens més afectats pel focus de mutacions", afirma la Dra. Weghorn. 

Una nova font de mutacions 

El procés de transcriure ADN a ARN és caòtic. L'estudi explica que el focus de mutacions existeix perquè la maquinària molecular implicada sol aturar-se i reiniciar-se a prop de la línia de sortida, i fins i tot pot activar-se en ambdues direccions. Alhora, es poden formar estructures efímeres que deixen exposada temporalment una de les cadenes d'ADN a possibles danys.

Tot això, sostenen els autors, fa que els punts d'inici de la transcripció siguin més propensos a mutacions durant les ràpides divisions cel·lulars que segueixen a la concepció. En general, les cèl·lules poden reparar aquestes alteracions, però sota la pressió de créixer amb rapidesa, algunes mutacions queden sense corregir, com a cicatrius en el genoma humà.

El descobriment afegeix una peça que faltava per entendre com sorgeixen les mutacions en primer lloc. Els culpables evidents, com els errors durant la replicació de l'ADN o els danys causats per la radiació ultraviolada, es coneixen des de fa dècades. "Trobar una nova font de mutacions, especialment aquelles que afecten la línia germinal humana, no passa sovint", conclou la Dra. Weghorn.