Используя геномы термитов и тараканов, исследователи строят филогенетические деревья из транспозонов, открывая новый способ дифференциации сложных эволюционных линий.
Чтобы понять, как организмы связаны между собой, исследователи используют молекулярную информацию для построения филогенетических деревьев. В большинстве случаев ученые используют тысячи кодирующих белки последовательностей для определения этих связей. Однако, когда организмы быстро эволюционируют, независимо приобретают одни и те же характеристики или теряют их, точное определение места вида на древе жизни становится затруднительным.
В ответ на это исследователи ищут новые геномные маркеры, которые помогут им определить происхождение видов. Переносимые элементы (транспозоны), некодирующие участки ДНК, которые могут самовоспроизводиться в геноме, представляют собой один из потенциальных вариантов получения дополнительной филогенетической информации. Однако, когда исследователи впервые столкнулись с этими самокопирующимися последовательностями для изучения филогении, идентификация этих элементов в геноме была сложной задачей.
Благодаря достижениям в области секвенирования генома и методов их сборки, исследователи теперь могут легче идентифицировать и анализировать перемещаемые элементы. Используя эти новые технологии, исследователи из Окинавского института науки и технологий построили филогенетические деревья с последовательностями транспозонов, которые очень напоминают деревья, построенные с использованием традиционных генных элементов. Результаты, опубликованные в журнале Current Biology, открывают путь для использования транспозонов наряду с генами, кодирующими белки, для определения происхождения видов.
Как рассказал Томас Бургиньон, биолог-эволюционист и соавтор статьи, исследование было проведено по счастливой случайности. Его аспирант Конг Лю исследовал геномы термитов, которые группа изучала для другого проекта. Этот процесс включал в себя маркировку транспозонов и сортировку их по семействам. В попытке упорядочить свои данные Лю решил сгруппировать виды на основе их транспозонов. Когда он увидел, что группировка напоминает дерево, он признался: “Я почему-то принял это как должное”. Когда Бургиньон заметил это совпадение, он решил, что его стоит изучить подробнее. “Возникают вопросы о том, насколько сильно транспозоны, скажем так, эволюционируют вместе со своим хозяином. Неясно, насколько велик филогенетический сигнал”, - пояснил Бургиньон. Он говорит, что в данной работе он и его коллеги показали, что “существует огромное количество филогенетических сигналов и их настолько много, что вы можете использовать их для построения реальной филогении”.
Ученые собрали библиотеки транспозонов для 45 различных видов термитов и двух видов тараканов, которые являются более отдаленными родственными организмами. Затем они объединили эти отдельные библиотеки, представляющие почти 38 000 последовательностей, для изучения использования этих элементов у разных видов. Исследователи могут объединять транспозоны в семейства на основе сходства их последовательностей. Бургиньон, Лю и их коллеги обнаружили, что распространенность определенных семейств транспозонов у одних видов выше, чем у других, а некоторые из этих элементов даже специфичны для семейств термитов. Это навело на мысль о том, что семейства транспозонов потенциально могут быть использованы для филогенетического профилирования.
Затем авторы построила два филогенетических древа этих 47 видов на основе данных о транспозонах и сравнила их с моделью, которую они ранее собрали, используя высококонсервативные области генома. Одно дерево рассматривало только наличие или отсутствие семейства транспозонных элементов в геноме вида, тогда как второе дерево фокусировалось на том, находится ли семейство транспозонов в пределах 100 пар оснований высококонсервативных областей генома термита. Оба дерева, построенные на основе семейств транспозонов, очень напоминали модель, в которой использовались консервативные области генома. Однако дерево, которое учитывало только наличие или отсутствие семейств, содержало больше различий в организации родственных видов по сравнению с деревом, которое ограничивалось рассмотрением областей, граничащих с консервативными областями.
Чтобы продолжить изучение использования транспозонов в качестве филогенетических маркеров, исследователи сравнили сходство своих деревьев, собранных на основе транспозонов, с теми, которые они построили, используя либо 13 генов митохондриальных белков, либо более 1400 ортологичных генов. По сравнению с модельным деревом, дерево, созданное из ортологичных генов, имело наибольшее сходство, в то время как дерево, созданное из митохондриальных генов, сильно отличалось от исходного дерева. И снова исследователи увидели, что деревья, составленные из данных о семействах транспозонов, ограниченных в пределах 100 пар оснований сохраненных областей генома, дают модели, которые ближе к установленным деревьям.
В конечном счете, исследователи пришли к выводу, что, используя современные инструменты секвенирования генома и аннотирования, транспозоны могут предоставить полезную информацию, помогающую различать филогенетические взаимосвязи. “Это отличное исследование того, как наилучшим образом использовать этот новый ресурс”, - согласился Макс Телфорд, зоолог, изучающий эволюцию животных в Университетском колледже Лондона, который не принимал участия в исследовании. По его мнению, одной из сильных сторон исследования было то, что транспозоны более устойчивы к конвергентной эволюции. “Все, что дает нам больше информации, означает, что мы, вероятно, сможем реконструировать эти очень трудноопределяемые фрагменты дерева”, - сказал он.
Телфорд продолжил: “Это огромная работа с некоторыми небольшими оговорками”. Одна из них, по его словам, заключалась в том, что исследователи не знают, как должно выглядеть истинное эволюционное древо этих организмов. Кроме того, он считает, что предыдущие попытки с использованием транспозонов были еще более конкретными в отношении того, где в геноме должна быть последовательность, чтобы определить, является ли этот элемент общим для двух видов. По словам Телфорда, более строгие требования улучшают способность определять, действительно ли у видов есть один и тот же переносимый элемент.
В будущем авторы исследования надеются определить, могут ли геномы более низкого качества также дать полезную информацию.
