Повністю прочитаних геномів тварин вже більше двохсот • Сергій Ястребов • Новини науки на "Елементи" • Генетика, Еволюція

Повністю прочитаних геномів тварин вже більше двохсот

Мал. 1. Генетичні дані на тлі сучасного еволюційного древа тварин. стовпчики проти назв типів показують число видів: синій – передбачене, блакитний – реально описане, жовтий – види, за якими є хоч якісь молекулярно-генетичні дані, червоний – види, у яких прочитані повні геноми. Ілюстрація з обговорюваної статті вCurrent Opinion in Genetics & Development

Порівняння повних геномів – найважливіший метод вивчення еволюції, що став доступним біологам з 1995 року. До теперішнього часу повністю прочитано 212 геномів багатоклітинних тварин. Це вже дозволило зробити ряд загальних висновків – наприклад, частково реконструювати мінімальний геном останнього загального предка тварин, а також оцінити характерну для сучасних геномів частку нових генів, властивих тільки окремим систематичних груп.

"Порівняння повних геномів є єдиний задовольняє дослідника шлях до реконструкції еволюції", – пише в книзі "Логіка випадку" знаменитий біоінформатики Євген Кунин (Eugene Koonin). З категоричністю цього твердження можна не погодитися, але мова йде і правда про найважливішу речі.Порівняння повних геномів – метод, який дав біологам абсолютно нові можливості для спостереження еволюційного процесу.

Епоха порівняння повних геномів почалася в 1995 році, коли лабораторія Крейга Вентера (John Craig Venter) опублікувала результат прочитання генома бактерії гемофільного грипу Haemophilus influenzae (R. D. Fleischmann et al., 1995. Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae). Протягом року з того моменту було прочитано ще кілька геномів бактерій і один еукаріотні – геном дріжджів Saccharomyces cerevisiae. Їх можна і потрібно було порівнювати, розробляючи для цього прийоми, фіксуючи відкриваються закономірності. За лічені роки народилася нова наука – порівняльна геноміка, подібно до того, як в XVIII столітті склалася порівняльна анатомія.

Кілька тижнів тому американські біологи Кейсі Данн (Casey Dunn) і Джозеф Райан (Joseph F. Ryan) випустили дуже короткий – на п'яти сторінках – огляд даних, отриманих з прочитаних на даний момент повних геномів багатоклітинних тварин. Їх вже стільки, що можна зробити перші висновки, що стосуються генетичної еволюції тварин в цілому.

Данн і Райан визначили предмет свого інтересу абсолютно чітко: макроеволюція ядерних геномів. Застереження про макроеволюції означає, що нас зараз цікавлять геномні відмінності між великими групами організмів,а не ті, що можна знайти між близькими видами, і тим більше не внутрішньовидові. Застереження про ядерні геноми означає, що ми не розглядаємо, наприклад, мітохондріальну ДНК (яку теж дуже цікаво вивчати, але це особлива тема). Отже, що нам відомо про ядерні геномах тварин?

Спочатку сухі цифри. На момент публікації статті Данна і Райана число повністю прочитаних геномів тварин становило 212 (навіть за минулий з тих пір короткий час їх могло стати вже більше). Мається на увазі, що кожен геном належить окремому виду. Двісті дванадцять видів – це менше двох сотих часток відсотка від загального числа видів сучасних тварин, яке становить приблизно 1,5 мільйона. Крім того, різні групи тварин представлені в цій вибірці дуже нерівномірно. По-перше, 83% прочитаних геномів належать хребетним. По-друге, спостерігається явний перекіс в сторону тварин з маленькими геномами, працювати з якими технічно набагато простіше. Нагадаємо, що розміри геномів різних тварин можуть відрізнятися на три порядки, тобто в тисячі разів (див. Геноми хвостатих амфібій з самого початку були великими, "Елементи", 24.06.2015).Володарям гігантських геномів, наприклад, двоякодишащим рибам, доведеться ще якийсь час почекати своєї черги.

Проте, всі великі еволюційні гілки тварин сучасної вибіркою охоплені, так що її можна вважати цілком представницької (рис. 1).

Уточнимо це твердження. На еволюційному древі є сім великих гілок, без згадки яких не обходиться жоден розмова про тваринному світі (якщо, звичайно, його хочуть охопити в цілому). Це губки, гребневики, пластинчасті, стрекающие, линяють, спіральнодробящіеся і Вториннороті. Так ось, у всіх цих галузях без виключення є представники, повні геноми яких вже прочитані і внесені в електронні бази. У більшості гілок – і не по одному.

Все геноми тварин набагато більше схожі один на одного, ніж можна було б очікувати, виходячи з зовнішніх відмінностей їхніх власників. Наприклад, розмір генома дуже слабо корелює зі складністю організму. Звичайно, згадуючи в біології "складність", доводиться завжди обумовлювати, що поняття це абстрактне і важко визначити. Але при будь-якому його розумінні не доводиться сумніватися, наприклад, в тому, що людина, одна тільки нервова система якого налічує 86 мільярдів нейронів, складніше круглого хробака Caenorhabditis elegans, У якого нейронів 302 штуки. У догеномную епоху висловлювалися припущення, що у людини приблизно 140 тисяч генів, але зараз ясно, що їх всього 20-25 тисяч (див. А. Панчина, 2015. Скільки сміття в нашій ДНК?). А число генів ценорабдітіса – 19 735 (L. D. W. Hillier et al., 2005. Genomics in C. elegans: So many genes, such a little worm). За кількістю генів людина і ценорабдітіс мало відрізняються один від одного.

Будь-геном можна охарактеризувати двома головними параметрами: розмір генома (C) і число генів (G). Розмір геному вимірюється в парах нуклеотидів, число генів – просто в штуках. Широко відомо, що розмір генома може дуже сильно – на порядки – відрізнятися у організмів, явно близьких за складністю пристрою тіла (наприклад, у хвостатих і безхвостих земноводних). Це явище називають "парадоксом значень C".

А ось з числом генів все навпаки. Воно часто буває приблизно однаковим (у всякому разі, можна порівняти) у організмів, що відрізняються мало не за всіма ознаками пристрою тіла, які тільки можна придумати. Цей факт отримав назву "парадоксу значень G" (M. W. Hahn, G. A. Wray, 2002. The g-value paradox). Теоретично пояснювати його можна по-різному, але в будь-якому випадку це один з головних висновків, зроблених за допомогою читання повних геномів. Іншими способами надійно дізнатися число генів можна.Наприклад, якщо ми вимірюємо хімічними методами кількість ДНК в клітині, то відразу отримуємо інформацію про розмір генома, але відрізнити гени від некодуючих послідовностей (яких в геномах еукаріот завжди багато) таким чином неможливо.

Ще одне завдання, яке не можна вирішити без досліджень повних геномів – це реконструкція геному загального предка всіх багатоклітинних тварин. Порівняння геномів різних тварин, а також їх одноклітинних родичів, дозволяє в принципі визначити мінімальний набір генів, якими цей предок повинен був володіти. На даний момент можна сказати, що у останнього спільного предка всіх тварин було щонайменше 6289 генних сімейств, загальних у нього з деякими одноклітинними, і 2141 генное сімейство, унікальне для тварин (нагадаємо, що генна сімейство – це група генів, що походять від одного гена-попередника шляхом його подвоєнь; див., наприклад: Предки губок можуть виявитися складніше, ніж передбачалося, "Елементи", 27.10.2015). Виходить, що у загального предка тварин було мінімум 8430 генів. Правда, це – в разі, якщо кожне генное сімейство складалося тільки з одного гена, що малоймовірно.Насправді генів, швидше за все, було більше, але все ж ці цифри дають таку собі точку відліку. І в будь-якому випадку, вони не остаточні – адже аналіз геномів триває.

Деякі висновки стосуються окремих груп генів і білків. Наприклад, білки клітинної адгезії (cell adhesion molecules, CAM), що забезпечують зчеплення і взаємодія клітин одна з одною, виявилися зовсім не унікальними для тварин – вони з'явилися у наших одноклітинних родичів, яким були потрібні, ймовірно, з огляду на їх складного життєвого циклу (див. H. Suga et al., 2013. The Capsaspora genome reveals a complex unicellular prehistory of animals). А ось багато генів і білки, що забезпечують внутрішньоклітинну сигналізацію, для тварин якраз унікальні.

Від генома останнього загального предка багатоклітинних тварин, природно, відбулися – шляхом багаторазових копіювань зі змінами – геноми всіх тварин, що дожили до сучасності. Так і сформувалося гіллясте еволюційне древо, які ми тепер бачимо. Події, що змінюють геноми в ході еволюції, дуже різноманітні: дуплікації різних типів, перебудови стійкого спільного розташування генів (сінтеніі), множення або втрата генів тих чи інших сімейств, всілякі вставки,модифікації регуляторних областей ДНК, перенесення мобільних генетичних елементів, зміна складу повторюванихпослідовностей, таких як сателітна ДНК, і багато іншого. Всі ці події залишають сліди, які нашаровуються один на одного. Їх можна знайти і прочитати, приблизно так само, як можна знайти і прочитати сліди правок в звичайному тексті. Адже геном – теж текст (хоча і не тільки текст, звичайно). Геном будь-якої тварини містить в собі цілу літопис змін, багато з яких можна досить точно розпізнати і датувати. Часто-густо це відноситься навіть до змін, які відбулися багато сотень мільйонів років тому. Текст може зберегти все.

Зараз широко відомо, що генний "інвентар" багатоклітинних тварин еволюційно дуже консервативний. Часто-густо одні і ті ж гени використовуються для близьких функцій і у людини, і у відносно простих істот на зразок того ж ценорабдітіса. Однак це – далеко не вся правда. У будь-якому еукаріотні геномі є 10-20% генів, не схожих ні на які гени суміжних (і будь-яких інших) груп організмів (K. Khalturin et al., 2009. More than just orphans: are taxonomically-restricted genes important in evolution?) . Такі гени часто називають "генами-сиротами" (orphan genes), маючи на увазі, що для них не вдається знайти генів-предків.Але все-таки коректніше називати їх таксономически обмеженими генами (taxonomically-restricted genes, TRG). Таксономически обмежений ген – це дійсно новий ген, що з'явився в еволюції однієї-єдиної групи організмів. Наприклад, є гени, властиві тільки хребетним, тільки деяким комахам або навіть тільки мишам. Природно, тут виникають цікаві питання. По-перше, звідки нові гени беруться? І, по-друге, які у них зазвичай бувають функції?

На питання, звідки беруться нові гени, найпоширеніший відповідь проста: нові гени беруться зі старих. Наприклад, в результаті випадкової дуплікації утворюються дві копії якогось гена, в першій з них мутації накопичуються повільніше, в другій швидше, в результаті друга копія поступово стає новим геном з новою функцією. Це дійсно дуже частий механізм створення нових генів, але не єдиний. Мабуть, нові гени в принципі можуть утворитися з чисто регуляторних ділянок ДНК або навіть з некодуючих послідовностей (D. Tautz, T. Domazet-Loso, 2011. The evolutionary origin of orphan genes). Іноді на це накладаються додаткові події, наприклад вставка в новий ген невеликого шматка іншого, старого гена.До речі, встановлено, що "молоді" гени зазвичай кодують коротші білки, ніж "старі". Виходить, що долгоживущий ген як би накопичує вантаж, що складається з випадкових вставок – які, втім, в свою чергу можуть піддаватися відбору і знаходити нові функції. У будь-якому випадку, утворення нових генів, як і більшість процесів в біології, не зводиться до якогось одного механізму. Таких механізмів декілька, і вони можуть поєднуватися.

Що стосується функцій таксономически обмежених генів, то вони бувають дуже різноманітними. Ріднить їх одне: більшість цих функцій – специфічні для даної групи тварин, що не зустрічаються за її межами.

Наприклад, свій набір таксономически обмежених генів є у типу тих, що жалять, до якого відносяться медузи і поліпи (включаючи гідр і коралів). Мабуть, найяскравіша особливість стрекающих тварин – жалкі клітини (кнідоціти), в честь яких цей тип отримав свою назву. Кнідоціти – одні з найскладніших клітин, які тільки можна знайти в тваринному світі. У кожному кнідоцит знаходиться згорнута жалких нитку з отруйною речовиною і механізмом викидання.Кнідоціти стрекающих дуже різноманітні, їх налічується понад 30 типів, а ось ні в яких інших тварин подібних клітин немає. Так ось, виявилося, що дуже багато генів, властиві тільки тих, що жалять, пов'язані зі специфічними органеллами жалких клітин. Наприклад, ціла група таких генів кодує мініколлагени – унікальні короткі білки, що входять до складу стінки внутрішньоклітинної капсули, в якій розміщується жалких нитку. У одного з видів прісноводної гідри знайшли 41 ген, активний тільки в жалких клітинах і не схожий ні на які гени інших типів тварин. Виходить в загальному логічно: нові гени забезпечують еволюційні нововведення, які проявляються вже на рівні організму (рис. 2).

Мал. 2. Швидкість появи нових генів в геномах предків будинкової миші (Mus musculus), Мухи-дрозофіли (Drosophila melanogaster) і квіткові рослини Arabidopsis thaliana. На кожному графіку по горизонталі час (в мільйонах років назад), а по вертикалі число нових генів, що з'явилися в середньому за мільйон років. Нові гени тут називають також генами-засновниками (founder genes), маючи на увазі, що вони дають початок цілим генним домами. На графіках особливо цікаві піки.В історії геномів тварин добре помітний пік, пов'язаний із становленням многоклеточности (Eumetazoa). В історії генома миші є ще два явних піку – в передбачувані моменти виникнення хребетних або черепних (Craniata) і плацентарних ссавців (Eutheria). У ці щодо короткі періоди з'явилося багато нових генів. Свої піки є і в історії генома зеленого рослини. Ось щоб складати такі графіки, знання повних геномів і потрібно. Ілюстрація зі статті: D. Tautz, T. Domazet-Loso, 2011. The evolutionary origin of orphan genes

Будь-геном – це в певному сенсі архів, документує події, що відбувалися на всьому протязі еволюційної лінії від останнього загального предка всіх живих організмів (last universal common ancestor, LUCA) до власника цього генома. Наприклад, в геномі миші відображені сліди подій, що відбувалися по всій безперервної ланцюжку предків і нащадків від LUCA до цієї самої миші. Звичайно, деякі сліди в ході еволюції стираються безслідно, і з цим нічого не поробиш. Але дуже багато зберігаються. Причому всі ці сліди укладені всередині складної впорядкованої структури, що дає можливість їх пошарово датувати. В цьому відношенні робота порівняльного геномика нагадує стратиграфию або археологію.

При всій величі порівняльної геноміки її ніяк не можна назвати "альфою і омегою" сучасної еволюційної біології. Данн і Райан абсолютно справедливо зауважують, що далеко не всіх біологів, зайнятих порівняльним аналізом геномів, цікавить геномна еволюція сама по собі. Набагато частіше історія геномів служить посередником (proxy) для розуміння інших аспектів еволюції, пов'язаних з фенотипом і організмом. Подібним же чином історика, методами палеографії та джерелознавства вивчає середньовічні документи, найчастіше цікавлять не тексти як такі, а соціально-історичні процеси, відображення яких в цих текстах можна знайти.

джерело: Casey W. Dunn and Joseph F. Ryan. The evolution of animal genomes // Current opinion in genetics & development. 2015. V. 35. P. 25-32.

Сергій Ястребов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: