Что делает млекопитающее млекопитающим?
423 000 недавно идентифицированных участков ДНК управляют нашими генами.
Эти элементы, получившие название UNICORNs, расположены рядом с генами, влияющими на обоняние, сон и способы взаимодействия людей и других млекопитающих с окружающей средой.
Бегущие волки, летающие летучие мыши и плавающие дельфины, казалось бы, имеют мало сходств. Но эти совершенно разные животные относятся к 240 видам млекопитающих, включая человека, которые имеют 10% общего генома. Новое открытие охватывает более 400 000 никогда ранее не идентифицированных участков ДНК, которые, вероятно, управляют тем, как гены фактически функционируют. Новые проанализированные регионы были представлены в статье, опубликованной на прошлой неделе в журнале Science, в которой подробно описана первая попытка прямого сравнения 240 последовательностей геномов млекопитающих. Новая база данных, созданная в рамках сотрудничества под названием Zoonomia, также выявила части ДНК-кода, которые наделяют некоторых млекопитающих необычными способностями, такими как спячка или способность чувствовать запахи на расстоянии многих километров.
До сих пор большинство исследований, посвященных геномам млекопитающих, использовали геном человека в качестве эталона, чтобы понять, как геном того или иного вида животных соответствует друг другу и как он развивался. Но эта "измерительная линейка" полезна только в том случае, если последовательности ДНК человека похожи на последовательности ДНК животного. У животных, которые имеют специфические нечеловеческие особенности адаптации или черты, такие как спячка, генетическое сходство с человеком может отсутствовать.
Чтобы разобраться с этой проблемой, десятки исследователей проекта Zoonomia под руководством генетиков Элинор Карлссон из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета и Керстин Линдблад-Тох из Уппсальского университета в Швеции изучили геномные последовательности 240 видов млекопитающих, включая человека и две породы домашних собак. Они и их соавторы пропустили их через алгоритм, который сравнил все геномы друг с другом.
Благодаря такому сопоставлению геномов исследователи смогли обнаружить сходства и различия между видами, даже если эти виды имеют лишь отдаленное родство. Например, некоторые виды летучих мышей впадают в спячку, как медведи, а другие, близкородственные виды летучих мышей, нет. Сравнение геномов выявило регионы ДНК, которые являются общими только для медведей, впадающих в спячку летучих мышей и других впадающих в спячку видов. Эти регионы включали гены, участвующие в регуляции температуры, метаболизме и восстановлении поврежденных нейронов.
Исследователи также обнаружили сходство между видами животных, обладающих сильным обонянием. Грызуны, как они обнаружили, имеют больше всего генов для белков обонятельных рецепторов, которые улавливают запахи. Но даже у самого хорошо нюхающего грызуна, центральноамериканского агути, обонятельных генов меньше, чем у трех других видов. Больше всего генов, связанных с обонянием, у африканского слона из саванны - 4 199 генов. Исследователи также обнаружили, что у животных, живущих в одиночку, как правило, больше обонятельных генов, чем у тех, кто живет в группах. Это может быть связано с тем, что одиноким животным требуются лучшие способности чувствовать хищников и добычу, поскольку они не могут зависеть от сообщества компаньонов, которые могут предупредить их.
Благодаря возможности сравнить 240 геномов исследователи смогли увидеть, какие участки ДНК-кода идентичны у разных видов млекопитающих. Эти сохраненные регионы, вероятно, очень важны для выживания млекопитающих, потому что млекопитающие сохраняли их на протяжении всей своей эволюции.
По некоторым предыдущим оценкам, всего 3% генома человека были похожи на геномы всех других млекопитающих. Но когда команда Zoonomia провела поиск сходств, оказалось, что 10,7% генома человека похожи на геномы наших сородичей-млекопитающих. И что примечательно, только 20% этих консервативных областей находились в частях генов, которые кодируют белки. Большинство сохранившихся областей находились в других участках хромосом, которые могут влиять на то, как различные гены выключаются или включаются, или насколько активными они становятся. Эти так называемые регуляторные элементы могут влиять на экспрессию генов различными способами: они могут изгибать нить ДНК, помогая клеточному механизму связываться с геном и, в конечном итоге, создавать например, большее количество белка.
Исследователи обнаружили 423 586 потенциальных регуляторных элементов, которые они назвали неаннотированными межгенными ограниченными регионами (UNICORNs). Многие из них расположены рядом с генами, которые влияют на то, как животные взаимодействуют с окружающей средой, например, на развитие кожи, а также на способность адаптироваться к изменениям. Линдблад-Тох говорит, что UNICORNs почти наверняка влияют на регуляцию генов непонятным пока образом.
Эти UNICORNs никогда не были идентифицированы ранее, даже крупными научными коллаборациями, которые глубоко изучили сотни тысяч человеческих геномов. "Нам не нужно было идеальное совершенство, нам просто нужно было большое количество видов для сравнения друг с другом", - рассказывает Карлссон.
Дэвид Кингсли, биолог по развитию из Стэнфордского университета, который не участвовал в исследовании, говорит, что сравнение геномов может дать гораздо больше информации о генетике и биологии вида, чем изучение каждого вида в отдельности - по крайней мере, в качестве первого шага. По его словам, "это использование всех экспериментов природы, которые гораздо более масштабны, чем эксперименты, проведенные людьми". Он надеется, что биологи будут использовать эту информацию, чтобы еще глубже изучить регуляторную ДНК, которая играет важную роль в определении поведения и адаптации видов.
По словам Карлссон, сейчас задача состоит в том, чтобы лучше понять физиологию и поведение видов животных, чтобы лучше определить их генетическое сходство. "Кто-то должен изучить 240 видов животных, чтобы выяснить, впадают ли они в спячку и насколько велик их мозг", - говорит она. Она и Линдблад-Тох планируют добавить в базу данных больше геномов приматов, что позволит им лучше определить, как эволюционировали люди. Но самые важные выводы, по их словам, будут сделаны, когда другие исследователи начнут изучать генетику своих любимых видов. Поскольку геномы большинства млекопитающих не были полностью секвенированы, особенно те их части, которые не входят в состав соответствующих генов, база данных Zoonomia может заполнить многие пробелы и позволить ученым задавать новые вопросы.
"Это действительно удивительный ресурс, который они создали", - считает Натан Кларк, эволюционный генетик из Университета Юты, который не принимал участия в исследовании. Он полагает, что база данных будет полезна для таких групп, как его, которые интересуются либо конкретным видом, либо такими признаками, как долгая продолжительность жизни, невероятное зрение и способность жить на большой высоте. "Это только начало", - утверждает Кларк.
