Секвенирование генома большой белой акулы — это здорово, но для более глубоких открытий нужны библиотеки генетических данных

Секвенирование генома отдельных видов, таких как большая белая акула, — это лишь первый шаг. Настоящая и долговременная ценность полногеномного секвенирования раскрывается только при накоплении множества точных, высокоразрешающих геномов для сравнения друг с другом.

Чертежи без инструкций

Геном организма — полный каталог его ДНК — содержит чертеж его строения. Однако последовательность геномной ДНК может содержать миллиарды нуклеотидов. Ученые еще не до конца понимают, как организована вся информация в геномах или как регулируется ее активность. Интерпретировать геном в одиночку — все равно что пытаться понять тысячи одновременных телефонных разговоров по «пакетам» данных без знания структуры.

Обучение через сравнение

Ответ на вопрос, зачем собирать эти данные, заключается в сравнительном анализе. Сравнивая геномы друг с другом, можно вывести, какие элементы отвечают за определенные признаки. Например, геномы человека и шимпанзе примерно на 98% идентичны. Сравнение позволяет выявить части генома, ответственные за наблюдаемые различия.

Крайне важно тщательно выбирать объекты для сравнения. Сравнение генома человека с геномом утконоса (разошлись около 150 млн лет назад) мало что даст. Однако сравнение геномов нескольких млекопитающих и птиц с геномами амфибий поможет сузить круг геномных элементов, общих для птиц и млекопитающих, но отличающихся от амфибий.

Создание генетических библиотек

Подобные иерархические сравнения лежат в основе сравнительной геномики — области, изучающей, как закономерности изменчивости в геномах связаны с закономерностями изменчивости наблюдаемых признаков. Биологи называют этот набор ассоциаций «картой генотип-фенотип».

Для этого ученым необходимо знать эволюционные взаимосвязи между организмами и быть уверенными в точности собранной геномной информации. Неточные или неполные данные грозят упустить важные ассоциации.

Современные достижения в секвенировании ДНК нового поколения и компьютерных науках революционизируют сбор и анализ этих данных, но процесс остается дорогостоящим. Секвенирование и сборка генома размером в 2.5 млрд пар оснований (для сравнения, геном человека — около 3 млрд) с достаточной точностью для сравнительной геномики стоит около 30 000 долларов США.

Международный консорциум ученых работает над сбором высококачественных геномных последовательностей для всех позвоночных, соответствующих этому стандарту. Первые сравнения сосредоточены на видах, представляющих эволюционное разнообразие разных групп позвоночных — тщательно отобранном наборе птиц, рептилий, млекопитающих, амфибий и рыб. В сентябре 2018 года проект выпустил свои первые 15 высококачественных референсных геномов для таких видов, как канадская рысь, зебровая амадина и рыба-прилипала.

Последующие сравнения заполнят эволюционные пробелы, пока в итоге не будет получен полный набор высокоточных геномов для взаимного сравнения. Это улучшит наше понимание карты генотип-фенотип. Они также послужат референсами для исследователей, изучающих роль разных генов в нормальном развитии, и для тех, кто исследует причины аномалий развития, врожденных дефектов и генетических заболеваний.

Другие инициативы по секвенированию менее сфокусированы на получении высокоточных и/или полных геномов для сравнительной работы. Многие являются, по сути, «поисковыми экспедициями» для выявления чего-то интересного или молекулярных маркеров для целей управления и сохранения видов. Например, в недавно опубликованном геноме большой белой акулы обнаружилось, что гены обоняния не так многочисленны, как можно было ожидать, учитывая хорошее обоняние акул, и что у них выше доля транспозонных элементов (последовательностей ДНК, способных перемещаться по геному).

Такие проекты обычно намного дешевле, так как не предназначены для получения высокоразрешающих карт с полным покрытием генома. К сожалению, их полезность для последующих исследований ограничена. Они, как правило, слишком неполны для биологов, изучающих развитие, и малопригодны для понимания карты генотип-фенотип.

Тем не менее, они стимулируют общественный интерес к бурно развивающейся области геномики, которая уже оказывает большое влияние на области от фундаментальной биологии до прикладной персонализированной медицины. По мере накопления и сравнения высокоразрешающих геномов наше понимание архитектуры, лежащей в основе различных форм жизни, будет расширяться экспоненциально.