Сравнительный анализ содержания генома дает представление о ранней эволюции животных. Новый метод, который позволяет использовать большие наборы данных в таких исследованиях, дает результаты, которые согласуются с классическими представлениями о филогении животных.
Реконструкция филогении животных проливает свет на оставшиеся без ответа вопросы эволюционной биологии, включая происхождение и развитие тканей и систем органов, таких как мышцы и нервы. Однако проследить глубокие филогенетические связи животных остается сложной задачей. В настоящее время это стремление основано в основном на сравнительном анализе аминокислотных последовательностей белков. Этот подход теперь можно применять к «филогеномным» наборам данных, охватывающим практически полные белковые последовательности генома животного. Однако, несмотря на эти достижения, у нас все еще нет общепринятого филогенетического древа животных. Это особенно верно в отношении корней всех животных, чья ранняя эволюционная история остается весьма спорной. Теперь исследователи во главе с профессором Гертом Вёрхайде (работает как в Департаменте наук о Земле и окружающей среде, так и в Центре геобио в Университете Людвига-Максимилиана (LMU) в Мюнхене), докторе Уокере Петте (Университет штата Айова, США) и профессоре Давид Пизани (Бристольский университет, Великобритания) представил новый методологический подход, который позволяет избежать трудностей анализа данных на основе последовательностей и подтверждает классический взгляд на филогению животных.
Выводы опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.
Чтобы распутать отношения между ранними группами животных, биологи-эволюционисты сравнивают последовательности «гомологичных» генов ряда видов. Гомологичные гены имеют сходные аминокислотные последовательности и кодируют белки, которые часто выполняют одни и те же функции у разных представляющих интерес видов, и поэтому предполагается, что они произошли от общего предка. Как правило, эти анализы были специально сосредоточены на «ортологах», одной из двух признанных подгрупп гомологичных генов. Ортологи - это гены, которые, как считается, произошли непосредственно (путем вертикального происхождения) от одной наследственной последовательности. «Но гены эволюционируют с разной скоростью, и в случае линий, подвергшихся быстрой диверсификации - тех, в которых скорость накопления новых мутаций особенно высока, - гены могут меняться так быстро, что становится очень трудно уверенно идентифицировать гены, которые настоящие ортологи», - говорит Верхайде. Это явление уменьшает количество данных, которые можно использовать для филогенетического анализа на основе последовательностей, и может снизить статистическую значимость результатов. Чтобы избежать этих недостатков, Верхайде и его коллеги приняли другую стратегию, в которой наличие или отсутствие гомологичных семейств генов (т.е. содержание гена), а не сравнение ортологичных последовательностей генов представляет интерес. Этот сдвиг точки зрения позволяет им принимать во внимание то, что называется «паралогичными» гомологами, в дополнение к упомянутым выше ортологам. Паралогичные гены - это продукты дупликации ранее существовавшего гена, которые впоследствии могут эволюционировать независимо друг от друга. «Когда все гомологичные семейства генов, а не только ортологичные гены, включаются в сравнительный филогенетический анализ содержания генов, мы получаем гораздо более глубокую информацию, которую можно использовать», - объясняет Уокер Петт, первый автор нового исследования.
Чтобы проверить разрешающую способность метода, Петт и его коллеги исследовали филогению самых ранних ответвляющихся линий на древе жизни животных, используя либо полный набор идентифицируемых семейств гомологичных генов, либо подмножество ортологов. Особый интерес среди этих типов животных представляют губки (Porifera) и гребневики (Ctenophora), поскольку остается неясным, какая из этих групп представляет собой сестринскую группу для всех других животных.«Независимо от того, включаем мы паралоги или нет, наши результаты согласуются с классическим взглядом на филогению животных в том смысле, что губки являются сестринской группой для всех других существующих линий животных», - говорит Вёрхайде. Анализ содержания гена ортолога отдельно относит гребневиков к сестринской группе Placozoa, Cnidaria и Bilateria (на эту последнюю группу приходится 95% существующих видов животных). Однако включение данных о содержании семейства гомологичных генов идентифицирует гребневики как сестринскую группу Cnidaria. Этот результат согласуется с предположением, сделанным на основе морфологических исследований - гипотезой кишечнополостных - которая восходит к середине 19-го века, мнение, которое потеряло популярность в последние годы..
Из наших результатов мы пришли к выводу, что аномальное расположение некоторых сильно отличающихся линий, таких как гребневики, отражает фундаментальное ограничение способности традиционных методов, основанных на последовательностях, которые полагаются только на данные для ортологов, для разрешить модели ветвления очень древних родословных», - говорит Вёрхайде.«Поэтому мы считаем, что анализ содержания генов, который мы представили здесь, должен в будущем использоваться для проверки гипотез, основанных на сравнительном анализе последовательностей ортологов. Как и в других областях, таких как криминология, если анализ двух разных наборов данных дает один и тот же результат, то можно быть более уверенным в этом результате, чем в любом из отдельных исходов».