Собрали геном тасманийского тигра по кусочкам
ДНК вымерших видов — это окно в их биологию, эволюцию и естественную историю. Однако после смерти животного его ДНК неизбежно распадается на крошечные фрагменты, что затрудняет её вычислительную реконструкцию.
Новая лаборатория TIGRR Lab, занимающаяся сохранением и восстановлением сумчатых, использовала остроумный подход, чтобы создать на сегодняшний день наиболее полный геном тилацина, или тасманийского тигра.
Это значительный шаг к долгосрочной цели — воскрешению тилацина с помощью процесса, называемого де-экстинкцией (возвращением вымерших видов).
У Австралии один из самых высоких в мире показателей вымирания млекопитающих, и тасманийский тигр стал символом этого продолжающегося кризиса.
Тилацин был крупнейшим сумчатым хищником Австралии, но был истреблён поселенцами в начале XX века за вознаграждение в £1. Он известен своими тигровыми полосами и собачьей головой, а его последние изображения сохранились на фотографиях и в кинохронике.
В 2018 году команда под руководством профессора Эндрю Паска опубликовала первую последовательность генома тилацина.
Для этого ДНК была извлечена из музейного экземпляра детёныша в сумке, хранившегося в спирте более 100 лет. Секвенаторы прочитали почти все три миллиарда нуклеотидных «букв» генетической информации, которые затем были собраны воедино с помощью вычислений.
Этот геномный ресурс позволил подтвердить эволюционные связи тилацина с живыми сумчатыми, исследовать генетическую основу его физического сходства с псовыми и показать, что его численность снижалась на протяжении многих тысяч лет.
Хотя черновой вариант сборки генома содержал подавляющее большинство генетической информации, собрать всё воедино не удалось.
В живом организме ДНК организована в хромосомы, каждая из которых представляет собой одну длинную молекулу ДНК из миллионов букв. Но из-за разрушения ДНК тилацина за последнее столетие удавалось собрать лишь фрагменты длиной в несколько тысяч букв.
Теперь прогресс в методах сборки ДНК и появление высококачественных референсных геномов родственных видов позволили создать новый геном тилацина с хромосомным разрешением.
В исследовании, опубликованном в рецензируемом журнале Genome Biology and Evolution, были объединены два подхода:
- De novo сборка — использование сложных алгоритмов для поиска перекрывающихся участков ДНК, полученных секвенатором.
- Сборка по референсу — использование высококачественного генома живого родственника в качестве шаблона для сборки мелких фрагментов в полные хромосомы.
В данном случае удалось с высокой эффективностью и точностью сопоставить последовательности ДНК тилацина с хромосомами его близкого родственника — тасманийского дьявола. Это стало возможным благодаря уникальной особенности их биологии.
Тилацин и дьявол относятся к отряду хищных сумчатых — Dasyuromorphia, — который отличается одними из наиболее хорошо сохранившихся среди млекопитающих хромосом. В результате новая сборка генома тилацина почти такого же качества, как у недавно секвенированных сумчатых, например, толстохвостой сумчатой мыши, тамара или кускуса.
Высококачественный геном необходим для де-экстинкции тилацина, поскольку живых клеточных линий не существует, и его нельзя клонировать, как овцу Долли.
Вместо этого потребуется использовать редактирование генома с помощью таких методов, как CRISPR-Cas9, чтобы воссоздать геном тилацина в стволовых клетках сумчатых. Новая сборка генома поможет команде TIGRR Lab спланировать около 90% необходимых правок, а дальнейшие улучшения доведут этот показатель до 100%.
Новый геном также позволяет глубже изучить генетическое разнообразие тилацина до его вымирания. Например, теперь показано, что у тилацина было самое низкое разнообразие среди всех изученных сумчатых видов.
Это подтверждает более раннее исследование митохондриальной ДНК, но уже на уровне всего генома, что обеспечивает бо́льшую мощность и точность. Более того, это согласуется с демографическим анализом 2018 года, показавшим долгосрочное снижение численности, вероятно, представлявшее собой генетическое «бутылочное горлышко».
Низкое генетическое разнообразие может серьёзно влиять на жизнеспособность вида.
Инбридинг может приводить к проявлению вредных рецессивных нарушений в популяции. Кроме того, низкое разнообразие делает виды уязвимыми к болезням и неспособными адаптироваться к изменяющейся среде.
Однако, хотя низкое разнообразие и генетическое здоровье тесно связаны, они не являются синонимами. Некоторые виды, прошедшие через серьёзные «бутылочные горлышки», были спасены от вымирания.
Аравийский орикс (Oryx leucoryx) вымер в дикой природе в 1970-х и какое-то время сохранялся только в неволе, в популяции всего из девяти особей. От этой крошечной группы вид размножился до более чем 6000 особей, включая около 1000 в дикой природе. Сегодня аравийский орикс больше не считается исчезающим видом.
В дальнейшем планируется продолжать улучшать хромосомный геном тилацина и использовать его для лучшего понимания связи между низким разнообразием и генетическим здоровьем вида. Это можно сделать, секвенировав ДНК сотен сохранившихся в музеях мира образцов тилацина.
Такие исследования необходимы для долгосрочной цели TIGRR Lab — воскрешения с помощью генной инженерии важнейшего австралийского хищника высшего порядка, обеспечив при этом здоровье и жизнеспособность его будущих популяций.