Как хромосомы эволюционируют для создания новых форм жизни

Универсальность генетического кода в его способности определять жизнеспособные и фертильные планы строения тела — ключевой вопрос. Новый проект «геном в коробке» ставит целью создание искусственных хромосом с нуля, начиная с генетической последовательности и добавляя организующие белки. Основная задача — правильно расположить крупномасштабные структуры, так называемые топологически ассоциированные домены (TAD).

Для эволюции новых форм требуются не точечные мутации, а радикальные изменения кариотипа: разрывы, слияния, инверсии или дупликации хромосом. Именно такие события приводят к видообразованию и потере универсальной способности к скрещиванию.

Изучение на примере птиц

  • Курица — ценный модельный организм для изучения развития и генома.
  • Утка — её геном занимает промежуточное положение между курицей и эму. В недавнем исследовании в журнале Gigascience учёные из Чжэцзянского университета представили новую карту всего генома утки и её TAD-областей.

Особенности генома утки и половые хромосомы

Гаплоидный геном пекинской утки составляет около 1.4 Гб с кариотипом из 9 пар макрохромосом (chr1–chr8, chrZ/chrW) и 31 пары микрохромосом (chr9–chr39). Это типично для птиц: небольшой размер генома, система определения пола Z/W и множество мини-хромосом.

  • Половые хромосомы утки не столь гетероморфны, как у курицы, но и не столь гомоморфны, как у эму.
  • В системе Z/W пол определяет яйцеклетка: самцы — гомогаметный пол (Z/Z), самки — гетерогаметный пол (Z/W). Z-хромосома крупнее и содержит больше генов, подобно X-хромосоме у млекопитающих.

Эволюция половых хромосом у других видов

  • Половые хромосомы птиц (Z/W) и млекопитающих (X/Y) не имеют общих генов и, вероятно, независимо эволюционировали от общего предка. Z-хромосома больше похожа на человеческую хромосому 9.
  • Утконос — крайний пример: у этого млекопитающего пять отдельных пар XY-хромосом. В мейозе они образуют цепь, которая сегрегирует в сперматозоиды XXXXX и YYYYY. Одна пара в этой цепи обладает некоторыми чертами Z-хромосомы.
  • Исследования показывают, что наши половые хромосомы, как и у птиц, формировались через постепенное подавление рекомбинации в аутосомах, создавая «эволюционные страты».

Пределы изменчивости: пример австралийского двоякодышащей рыбы

Геном двоякодышащей рыбы — крупнейший из известных (>43 млрд п.н., в 14 раз больше человеческого). Отдельные её хромосомы больше нашего полного генома.

  • Геном содержит огромные межгенные области и интроны с высоким содержанием повторов LINE-элементов (~90%), что сближает его с тетраподами.
  • Геном, по-видимому, продолжает расти. Переход к наземному образу жизни сопровождался новой экспрессией генов (например, hoxc133 и sall1) в плавниках, дупликацией генов сурфактантов и пролиферацией генов обонятельных рецепторов.

Универсальность генетического кода: аналогия с 3D-печатью

Процесс роста и генетический код можно сравнить с 3D-печатью и G-кодом:

  • Любой объект можно напечатать, и для него существует как минимум один G-код.
  • Однако не каждый возможный G-код соответствует реальному объекту (нельзя печатать в воздухе или накладывать материал дважды в одно место).
  • Аналогично, не каждый теоретический план тела, нарисованный на компьютере, может быть закодирован в ДНК и выращен.

Вывод

Хотя время и ресурсы — реальные ограничения, главное ограничение для радикального изменения форм жизни, вероятно, заключено в самом генетическом коде и механизмах хромосомной эволюции.