Расшифровка древних историй, скрытых в ДНК
Учёные обнаружили, что геномы морских беспозвоночных оказались удивительно стабильными в глубокой временной перспективе. Новое исследование, опубликованное в Science Advances, провело всеобъемлющий анализ далёких друг от друга групп животных, включая губок, медуз, морских гребешков и беспозвоночных, наиболее близких к человеку. Оказалось, что их хромосомы поразительно похожи.
Геном можно представить как инструкцию в каждой клетке, написанную на коде ДНК. Он содержит всю наследственную информацию для функционирования организма. Эта инструкция разделена на главы — хромосомы, которые, в свою очередь, подразделяются на страницы — гены.
«За глубокое время — я имею в виду как минимум 550 миллионов лет — из-за случайных мутаций порядок генов внутри хромосом перемешивается, как будто перепутаны страницы внутри главы книги. И, что более драматично, иногда мы обнаруживаем, что две хромосомы соединились и перемешались, как если бы главы были объединены и перетасованы», — пояснил профессор Даниэль Роксар, последний автор статьи и руководитель подразделения молекулярной генетики в Окинавском институте науки и технологий (OIST) в Японии. «Но в целом мы обнаружили замечательную стабильность. Даже несмотря на то, что последний общий предок этих трёх групп жил более полумиллиарда лет назад, многие из их хромосом узнаваемо похожи в том смысле, что содержат одни и те же группы генов».
Исследование сравнило геномы видов из трёх обширных групп: губок (очень простых животных без мышц и нервов), стрекающих (конкретно медуз и гидр) и билатерий (морских гребешков и ланцетников). Эти геномы были либо секвенированы ранее, либо впервые описаны в этой работе. Хотя у многих из этих организмов ранее секвенировали «черновые» версии геномов, эти ранние исследования не позволяли изучить общую организацию хромосом. Теперь, с развитием генетических технологий, исследователи могут собрать пазл и сравнить организацию генов в длинные цепочки. В этом исследовании хромосомы гидры были впервые реконструированы, хромосомы ланцетника — значительно улучшены, и был проведён широкий сравнительный анализ.
Международная группа исследователей, включавшая учёных из OIST, Венского университета, кампусов Калифорнийского университета в Беркли, Ирвайне и Санта-Крузе, Мюнхенского университета имени Людвига-Максимилиана и Университетского колледжа Лондона, обнаружила поразительное сходство между хромосомами пяти разных животных и подтвердила, что это сходство присутствует и в других геномах животных. В некоторых случаях они выявили паттерны слияния хромосом, специфичные для определённых подгрупп животных. Например, исследователи нашли четыре древних слияния, общих для морских гребешков и нескольких других моллюсков, которые также напоминали слияние в черновом геноме морского червя.
«Мы видим, что гены могут находиться в одной и той же хромосоме у разных видов, но часто в разном порядке», — пояснил профессор Роксар. «В редких случаях, когда две хромосомы сливаются, а затем перемешиваются в новой объединённой хромосоме, это слияние нельзя отменить, и оно служит постоянным маркером эволюционной истории хромосомы. Это как перемешать две колоды карт. Мы можем продолжать их тасовать, но они никогда не разделятся снова на две точные колоды».
Когда у ныне живущих животных обнаруживаются одинаковые слияния, исследователи делают вывод, что эти слияния должны были произойти у древнего общего предка этих видов. Теперь они сделали несколько проверяемых прогнозов о ещё не секвенированных геномах. Например, команда предсказывает, что геномы всех моллюсков и родственных им «спиральных» животных должны демонстрировать специфический набор слияний, наблюдаемый у морских гребешков.
Эти результаты демонстрируют интересный парадокс. «Млекопитающие существуют всего около 100 миллионов лет, — объяснил профессор Роксар. — Но когда мы сравниваем геномы двух млекопитающих, скажем, человека и мыши, хромосомы выглядят так, будто их разбили на несколько сотен частей, а затем смешали. Характерное для беспозвоночных сохранение структуры хромосом в масштабе генома у млекопитающих просто не наблюдается». Он предположил, что хромосомы млекопитающих могли эволюционировать иначе, потому что исторически млекопитающие жили в меньших группах, чем большинство морских беспозвоночных. Малые группы способствуют выживанию таких случайных мутаций, что может объяснять, почему хромосомные перестройки легче распространяются у млекопитающих.
В общей сложности исследователи идентифицировали 29 предковых сегментов хромосом. Более того, группа обнаружила, что некоторые из этих сегментов присутствовали уже 800–900 миллионов лет назад, до появления животных, когда все организмы были одноклеточными или очень простыми многоклеточными формами. Таким образом, некоторые гены «путешествуют» вместе почти миллиард лет, однако последствия этих древних сцеплений генов остаются загадкой.