Исследователи проекта Zoonomia проанализировали геномы 240 различных видов млекопитающих. Результаты, опубликованные в 11 статьях в специальном выпуске журнала Science, показывают, какие изменения привели к особым характеристикам у разных видов, как мутации способствовали эволюции человека и как геном влияет на развитие различных заболеваний. «Хайтек» рассказывает, к каким выводам пришли генетики.
За последние 100 млн лет млекопитающие приспособились почти ко всем возможным условиям — экосистемам на Земле. Исследователи проекта Zoonomia каталогизировали разнообразие геномов этого класса животных, сравнивая последовательности нуклеотидов (оснований) ДНК 240 видов, существующих сегодня. Выборка охватывает 80% всех семейств млекопитающих: от трубкозуба и саванного слона до макака-резус и человека.
В нескольких статьях в специальном выпуске журнала Science исследователи показывают, как сравнительная геномика может пролить свет на то, как определенные виды достигают эволюционного успеха, и помочь ученым лучше понять, какие части нашего генома функциональны и как они могут влиять на здоровье и болезнь.
Что изучает проект Zoonomia?
Zoonomia — международный проект, который использует современные достижения в технологиях секвенирования ДНК, чтобы понять, как геномы порождают огромное разнообразие млекопитающих. Исследовательский проект объединяет более 30 групп ученных со всего мира под руководством генетиков из шведского Университета Упсалы и Института Броуда — совместного исследовательского центра Массачусетского технологического института и Гарвардского университета.
Еще в 2020 году исследователи завершили работу по секвенированию полных геномов 240 видов млекопитающих, 131 из которых не были до этого описаны. Хотя это кажется небольшим количеством — известно более 6,5 тыс. видов млекопитающих, выборка сконструирована так, чтобы собрать данные от разных подгрупп животных. Поэтому исследование включает более 80% семейств млекопитающих, охватывающих почти 110 млн лет эволюции.
В новых работах ученые используют выравнивание последовательностей генома, чтобы определить изменения, которые управляют эволюцией. Это биоинформатический метод, основанный на размещении последовательностей мономеров ДНК или белков, друг под другом таким образом, чтобы найти сходные участки в них.
Исследователи выявили наиболее консервативные области генома, а иногда отдельные нуклеотиды («буквы») ДНК, которые остаются неизменны у млекопитающих на протяжении десятков миллионов лет эволюции. Это области, которые, по-видимому, являются биологически наиболее важными. Они также нашли часть генетической основы для необычных черт млекопитающих, например, способности впадать в спячку или улавливать слабые запахи на огромных расстояниях.
Хронология эволюции млекопитающих
Млекопитающие жили рядом с динозаврами и пережили массовое вымирание, уничтожившее большинство этих древних видов, кроме предков современных птиц. На протяжении долгого времени исследователи полагали, что массовая диверсификация млекопитающих (стремительный рост количества новых видов) началась именно после этого события.
В одном из исследований ученые проследили изменения в некодирующих участках генома различных млекопитающих, чтобы построить «молекулярные часы.
Молекулярные часы дают нам возможность точно понять, когда и где разные линии млекопитающих в последний раз имели общих предков, даже при отсутствии летописи окаменелостей.
Уильям Мерфи, соавтор исследования из Техасского университета A&M
Исследователи обнаружили, что первое разделение млекопитающих на виды произошло до массового вымирания — в меловом и третичном периодах. Например, эволюцию плацентарных млекопитающих можно проследить на 102 млн лет назад. Вероятно, первым стимулом для формирования новых видов стал дрейф континентов, который привел к тому, что огромные массивы суши разошлись и снова собрались вместе в течение миллионов лет.
Другой период активной диверсификации действительно произошел сразу после вымирания динозавров — около 65 млн лет назад, когда у млекопитающих было больше места, ресурсов и стабильности. Эта ускоренная эволюция привела к богатому разнообразию млекопитающих, включающих такие непохожие группы, как плотоядные, приматы и копытные животные.
Потерянные гены человека
На функции ДНК влияют не только новые гены, но и потерянные участки генома. В исследовании, проведенном под руководством Института Броуда и Йельского университета, исследователи изучали высококонсервативные гены — те, которые можно найти почти у всех млекопитающих. Сравнивая геном человека с другими видами, в особенности нашими близкими родственниками — приматами, исследователи искали участки генома, потерянные в процессе эволюции.
Анализ показал, что у людей по сравнению с другими видами млекопитающих есть 10 032 делеций — хромосомных перестроек, в результате которых теряется небольшой участок ДНК. Большинство из них представляют собой очень короткие последовательности, состоящие всего из нескольких пар нуклеотидов.
Часть изменений относится к генам с нейронными и когнитивными функциями, в том числе с формированием клеток в развивающемся мозге, другие — управляют метаболизмом, в том числе работой жировых клеток и печени. Исследователи обратили внимание, что вместо того, чтобы разрушить биологию человека, некоторые из этих делеций создали новые генетические коды — они удалили элементы, которые обычно отключают гены.
Это можно сравнить с фразой «не делать что-либо», из которой в процессе эволюции выпадает частица «не», объясняют ученые. В результате «инструкция по созданию живого организма» переворачивается на 180°. Такие небольшие изменения привели, в том числе к формированию сложных когнитивных функций и уникального мозга человека.
Часто мы думаем, что новые биологические функции должны требовать новых фрагментов ДНК, но эта работа показывает нам, что удаление генетического кода может привести к серьезным последствиям для черт, делающих нас уникальными как вид.
Стивен Рейли, генетик из Йельской школы медицины, соавтор исследования
Поиск причин развития заболеваний
Сравнительная генетика также помогает исследователям понять, как возникают некоторые болезни как у животных, так и у людей. В одном из исследований генетики сосредоточились на некоторых из наиболее консервативных однобуквенных областей, обнаруженных в геноме большинства исследованных млекопитающих, и сравнили их с генетическими вариантами, которые ранее связывали с такими заболеваниями как рак.
У людей, больных раком, мутации могут быть разбросаны по всему геному. По мере развития заболевания эти генетические изменения имеют тенденцию накапливаться. Зачастую трудно понять, какие мутации имеют значение, какие из них вызывают или подталкивают болезнь.
Исследователи обнаружили, что изменения в консервативных участках генома, наименее подверженных эволюционным изменениям, в высокой степени коррелируют с развитием заболеваний. Ученые определили мутации, которые, вероятно, являются причиной как редких, так и распространенных заболеваний.
Например, исследователи показали, что при медуллобластоме, наиболее распространенного типа злокачественной опухоли головного мозга у детей, у пациентов наблюдается много новых мутаций в эволюционно законсервированных позициях.
Мы надеемся, что анализ этих мутаций заложит основу для новых методов диагностики и лечения.
Карин Форсберг-Нильссон, профессор Университета Упсалы и соавтор исследования
Другие открытия
Описанные выше результаты — только часть масштабного генетического проекта. Другие исследования, например:
- объяснили, почему знаменитая ездовая собака 1920-х годов по кличке Балто смогла выжить в суровых условиях Аляски;
- показали, что «прыгающие гены» более распространены у хищников, чем у травоядных»
- обнаружили, что виды с исторически меньшими популяциями сегодня подвергаются более высокому риску исчезновения;
- определили с помощью машинного обучения части генома, связанные с несколькими исключительными чертами мира млекопитающих, такими как необычайный размер мозга, превосходное обоняние и способность впадать в спячку зимой.
Опубликованные результаты — только начало масштабной работы, многое еще предстоит проанализировать. Они показывают разнообразие возможностей использования сравнительной генетики, отмечают исследователи проекта. Собранные данные о млекопитающих и секвенирование геномов других видов животных помогут больше узнать об эволюции, болезнях и их лечении.
Читать далее:
Форма Млечного Пути совсем не такая, как мы считали все это время, выяснили ученые
Две суперземли нашли на краю обитаемой зоны: на одной из них комфортная температура
Найдена черная дыра, которая уничтожает звезду рекордно близко к Земле