Учёные разработали алгоритм для исследования эволюционной истории видов с дупликациями всего генома

Международная команда учёных из Университета ИТМО и Университета Джорджа Вашингтона (США) создала алгоритм для изучения эволюционной истории видов с дупликациями всего генома, в первую очередь дрожжей и растений.

Программа может анализировать генетическую информацию об этих видах и делать выводы о том, как происходила дупликация всего генома и почему она закрепилась в процессе эволюции. Статья опубликована в Bioinformatics.

Согласно исследованиям генетиков, у некоторых растений и даже млекопитающих встречаются дупликации всего генома, то есть некоторые их гены существуют в нескольких копиях, более или менее похожих друг на друга. У предкового генома таких дубликатов не было, но в определённый момент эволюционной истории произошла дупликация, которая закрепилась в популяции.

Чтобы понять процесс дупликации генома, исследователям необходимо построить так называемую эволюционную историю вида с этим эволюционным событием. Эта история позволяет отследить, что происходило с популяцией в прошлом, и определить, когда именно произошла дупликация и как она закрепилась.

При попытке построить эволюционную историю с дупликациями всего генома учёный сталкивается с рядом задач, схожих по целям, но имеющих совершенно разную математическую структуру. Для их эффективного решения требуется оптимизация. С этой целью команда, в которую вошли специалисты из Университета ИТМО и Университета Джорджа Вашингтона (США), предложила подход целочисленного линейного программирования, впервые предложенный советским математиком, экономистом и лауреатом Нобелевской премии по экономике Леонидом Канторовичем.

«Существует класс задач, которые по сути похожи, но с точки зрения математики разные, — объясняет соавтор исследования, сотрудник Университета ИТМО Никита Алексеев. — Поэтому мы разработали общий подход, который сводится к целочисленному линейному программированию. Это метод оптимизации, сводящий сложную программу к набору линейных ограничений, для которых существует выбор эффективных решателей».

В результате учёные разработали программу, которая анализирует дуплицированные геномы и строит предположения об эволюционном пути вида, количестве дупликаций генома, произошедших за это время, и о том, как изменялись копии генов, возникающие в результате дупликации. Иногда в них происходят мутации, изменения в специфических регионах, поэтому они перестают быть идентичными.

Этот подход также может быть применён для изучения дуплицированных регионов генома у животных. «Дупликации генома присутствуют у многих видов и могут затрагивать не только геном целиком, но и его фрагменты, и наш инструмент тоже можно адаптировать для решения таких задач», — заключает Никита Алексеев.