Международная группа ученых сравнила геномы 240 млекопитающих: от трубкозубов до человека. На основе анализа они выясняли, как по генам определить, находится ли вид на грани вымирания, и показали, как особые регионы в генах могут быть связаны с уникальными признаками — от размера мозга до выносливости. Результаты исследований опубликованы в виде 11 статей в журнале Science.
Более 150 ученых из 50 различных институтов по всему миру объединились в работе над проектом Zoonomia. Его возглавляла Элинор Карлссон — директор группы геномики позвоночных из Института Броуда (США). Ученые поставили перед собой амбициозную задачу: сравнение и анализ полных геномов 240 видов млекопитающих. Получением данных для Zoonomia исследователи занимались с 2005 года, и сейчас проект является крупнейшей базой данных по геномике млекопитающих в мире.
В ходе работы ученые показали, насколько значительный кладезь информации представляют собой геномы разных видов. Опираясь на генетические данные, исследователи определили гены, ответственные за важные признаки: размер мозга, склонность к спячке и так далее. В одной из работ биологам удалось определить, с чем связано развитие мозга человека и как по генам и их регуляторным последовательностям можно оценить склонность к различным болезням. Также генетические данные позволили ученым предсказать, насколько те или иные виды, о которых информации не так много, близки к вымиранию и нужно ли им помочь, разрабатывая особые меры по их сохранению. Что особенно интересно, одна из новых статей показала, что геном одной особи, а не целого вида, тоже может рассказать ценную историю. Это было продемонстрировано на примере знаменитой собаки Балто.
Генетические данные показывают, находится ли вид под угрозой вымирания.
Ученые из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (США) попытались ответить на вопрос: можно ли по геному какого-нибудь вида сделать заключение о его состоянии, о близости к вымиранию? Этот вопрос очень важен в текущих условиях, когда под риском вымирания находятся десятки тысяч видов и нужно определить, какие из них больше всего нуждаются в защите. При этом обычно о состоянии вида судят по размеру его популяции, но для тысяч видов эта информация либо недоступна совсем, либо ее очень трудно получить.
Исследователям удалось показать, что по геному, который отражает миллионы лет эволюции вида, можно оценить риски, стоящие перед тем или иным видом. При этом ничего, кроме генома, знать не нужно: ни физиологические, ни поведенческие, ни исторические особенности, ни даже численность оставшейся популяции. Достаточно хотя бы одного генома. Чтобы добиться такого анализа, ученые сначала научили модель различать находящиеся и не находящиеся под угрозой виды, используя для тренировки данные об их демографии и разнообразии, а также о генетических мутациях, которые влияют на приспособляемость. В дальнейшем эту модель можно будет совершенствовать по мере появления новых и улучшенных геномов.
В качестве примеров ученые привели три вида: слепыши, малые оленьки и косатки. О каждом из них доступно не так много информации, так что ученые применили к ним свою модель, чтобы оценить, находятся ли они под риском вымирания. Оказалось, что несмотря на то, что точных данных об ареалах обитания слепышей и об их численности нет, виду ничего не угрожает. Косатки же, напротив, находятся в опасности, что подтверждают как геномные, так и экологические данные. Соответственно, на основе этого анализа можно выдвигать рекомендации о том, на поддержку, защиту и сохранение каких видов следует выделять средства в первую очередь.
Уникальные признаки видов определяются изменчивыми, а не консервативными участками генома.
Ученые из Уппсальского университета (Швеция) и Университета Карнеги — Меллона (США) установили, что консервативные участки геномов, которые оставались практически неизменными на протяжении миллионов лет эволюции между разными видами, имеют большое биологическое значение. Как минимум 10% человеческого генома относится к таким консервативным последовательностям. Всего ученые нашли более 4,5 тысячи элементов, которые сохраняются в более чем 98% видов, которые рассматривались в исследовании. Некоторые из этих участков содержат всего несколько нуклеотидов, и большинство из них не относится непосредственно к генам. Эти участки соответствуют некодирующим последовательностям, которые регулируют работу других генов, а не дают начало белкам.
Большинство консервативных участков связаны с эмбриональным развитием, а также с регуляцией экспрессии РНК. Те же участки генома, которые на протяжении эволюции менялись более активно, в основном отвечали за признаки, так или иначе характеризующие взаимодействие организма с окружающей средой. К таким признакам относятся особенности иммунитета, размер мозга, обостренное обоняние, склонность к спячкам и так далее.
Особая укладка генома в пространстве ускорила развитие мозга человека.
Ученые из Института Гладстона (США) проанализировали зоны ускоренного развития у человека (HAR). Это участки человеческого генома, которые практически не различаются у людей, но значительно отличаются между людьми и другими млекопитающими. Это говорит о том, что на протяжении долгих лет эволюции HAR были стабильны у других млекопитающих, но резко изменились в людях. Многие из HAR связаны с работой нейронов, поэтому предполагается, что именно они ответственны за развитие мозга человека.
Большинство HAR являются энхансерами — короткими последовательностями ДНК, которые регулируют активность близлежащих генов. Ученые заинтересовались, не могли ли на HAR повлиять изменения в участках генома, которые их окружают. Они проанализировали HAR и близлежащие к ним последовательности в геномах 240 видов млекопитающих. Оказалось, что HAR обычно находятся в тех участках генома человека, пространственная укладка которых значительно отличается от укладки у других млекопитающих. Это очень важно для энхансеров, так как они воздействуют на любые гены, которые находятся к ним достаточно близко.
Ученые воспользовались особой моделью машинного обучения для того, чтобы определить укладку ДНК в геномах людей и шимпанзе. Они нашли те участки генома, которые складывались у людей иначе. Вычисления показали, что около 30% всех HAR находятся именно в таких участках. Соответственно, если ДНК в человеческом геноме вдруг стала укладываться иным образом, то поблизости стали находиться другие гены. Например, если изначально энхансер регулировал уровень какого-нибудь гормона в крови, то после того, как изменилась укладка ДНК, рядом с энхансером мог оказаться ген какого-нибудь нейротрансмиттера. В таком случае энхансер бы начал регулировать уже его уровень в крови, что повлекло бы стремительные изменения в структуре самого энхансера. При этом ученые отметили, что, судя по всему, сначала активность энхансера сильно повышалась, а потом понижалась до оптимального уровня.
Чтобы понять, какие гены могли находиться рядом с HAR при изменении укладки ДНК, ученые провели ряд лабораторных экспериментов. Они использовали нейроны человека и шимпанзе, полученные из стволовых клеток, и определяли, какие участки ДНК ближе всего находились к сотням разных HAR. В большинстве случаев HAR находились вблизи генов, которые принимают участие в развитии мозга. В некоторых случаях эти гены также были ассоциированы с психическими болезнями или нарушениями нервно-психического развития.
В будущем исследователи планируют выяснять, почему такие крупные структурные изменения в геноме человека выдержали проверку временем. Также они хотят показать, как именно HAR влияют на развитие мозга человека.
Сравнение с геномами других млекопитающих улучшило понимание болезней человека.
Международная группа ученых также сравнила регуляторные последовательности ДНК у человека и у других млекопитающих. Это важно для понимания болезней: многие мутации, ведущие, например, к диабету или ОКР, находятся не в самих генах, а в регуляторных последовательностях. Сравнив геном человека с геномами других млекопитающих, ученые смогли установить некоторые варианты, задействованные, к примеру, при шизофрении, астме или экземе.
Такой анализ также помог найти новые мутации, связанные с развитием медуллобластомы — рака мозга, который распространен среди детей. Что интересно, эти мутации находятся в эволюционно консервативных участках генома, которые не изменялись у других млекопитающих. Знание об этих мутациях может помочь своевременно диагностировать разные болезни и разрабатывать лечение от них.
Геном одной знаменитой собаки рассказал всю ее историю.
Американские ученые также показали, что геном даже одной-единственной особи может нести в себе множество полезных и интересных сведений. В качестве примера биологи выбрали Балто. Это ездовая собака из упряжки, которая в 1925 году доставляла медикаменты во время эпидемии дифтерии в Аляске. Для этого упряжке пришлось пройти более 85 км. Этот пес стал считаться героем и легендой, его чучело было выставлено в музее Кливленда, а в 1990-х про него сняли мультфильм.
Сотрудничая с Кливлендским музеем, ученые получили образец кожи Балто и выделили его ДНК. Далее они прочитали, то есть секвенировали, геном пса. Исследователи сравнили геном Балто не только с геномами 240 видов млекопитающих, но и с геномами 682 собак разных пород. На основе этого анализа биологи смогли получить большое количество информации об этом псе. Так, обычно говорилось, что это сибирский хаски, хотя на самом деле Балто был помесью пород. Он относился к популяции ездовых собак, которая была более генетически разнообразна по сравнению с современными собаками. При этом популяция значительно отличалась и от сибирских хаски, и от аляскинских ездовых собак.
Что интересно, эта популяция была носителем генов, которые делали ее представителей более здоровыми по сравнению с современными породами. Так, в геноме Балто были гены, которые отвечают за развитие тканей, рост мышц, особый метаболизм. Должно быть, именно эти признаки и сделали Балто таким выносливым. Ученые обнаружили также и другие интересные особенности в геноме Балто. Например, псы из его популяции лучше, чем волки и гренландские собаки, переваривали крахмал. Причем эта способность все равно не так хороша, как у современных собак, которые очень легко переваривают крахмал.
На основе генома Балто ученые смогли восстановить его внешний вид. В результате им удалось получить больше деталей о его внешности, чем при анализе фотографий. Например, шерсть Балто была черной, но кончики были коричневыми, чего не видно на фото. Это указывает на то, что, располагая генетическими данными, ученые вполне могут восстановить внешность животных, что особенно захватывающе в контексте различных доисторических животных.
Таким образом, в этом масштабном проекте, в который были вовлечены ученые со всего мира, биологи продемонстрировали, насколько много информации хранится в геномах организмов. По их мнению, они показали лишь часть возможностей геномики, которая в будущем сможет дать ответы на еще большее число интригующих вопросов.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
