Исследователи из Университета Осло (UiO) продолжают находить сюрпризы в геноме атлантической трески. Самое последнее исследование выявило необычное количество коротких и идентичных последовательностей ДНК, которые могут дать треске эволюционное преимущество.
Более десяти лет назад исследователи из Норвежского института водных исследований (NIVA) поймали «треску Кальвина» и вытащили ее из холодных арктических вод во время океанографической экспедиции в Баренцево море и к северному побережью Норвегия и Лофотенский архипелаг.
От Лофотенских островов Кальвин отправился на исследовательскую станцию NIVA недалеко от столицы Норвегии Осло. На этом история могла бы и закончиться, но судьба Кальвина неожиданно изменилась, когда исследователи из Университета Осло нашли его плавающим в аквариуме, убили ударом по голове и забрали образцы его тела домой, в свою большую морозильную камеру. Департамент биологических наук.
Обычную треску после помещения в морозилку можно было бы съесть, но Треска Кальвин вместо этого начала новую карьеру. На самом деле Кальвин был здоровым и характерным представителем популяции скреев, норвежское название трески, мигрирующей между местами нагула в Баренцевом море и районами нереста вдоль норвежского побережья. Таким образом, Кальвин был выбран для выполнения почетной задачи пожертвовать части своего тела и гены науке.
В 2008 году исследователи из Университета Осло инициировали уникальный проект: они хотели составить карту генома рыбы, имеющей большое экономическое значение, а именно атлантической трески. Позже этот проект имел огромный успех, и исследователи генома трески преподнесли множество сюрпризов, основанных на их исследованиях генома Кальвина.
Просто назовем два самых важных открытия: они оказали огромное влияние, когда в 2011 году они обнаружили странную и уникальную иммунную систему трески, а в 2016 году они обнаружили половой ген, который может сделать рыбоводство более прибыльным.
Новое открытие в геноме трески
Кандидат докторских наук Оле Кристиан Торресен и старший инженер Лекс Недербрагт из Института биологических наук и Центра экологического и эволюционного синтеза (CEES) провели более подробный анализ, чем когда-либо прежде, и еще раз изучили геном трески. приготовил сюрприз.
Новым достижением на этот раз является то, что мы объединили данные трех разных методов секвенирования ДНК. Таким образом, нам удалось составить карту генома трески гораздо более подробно, чем это было возможно ранее. В то же время мы Нашел причину, по которой ранее было так трудно составить карту генома в деталях. Причина в том, что этот геном содержит необычайное количество так называемых коротких тандемных повторов, что означает, что короткие последовательности молекул ДНК повторяются много раз подряд, - рассказывает Титану Оле Кристиан Торресен.uio.no.
Основой для этого наблюдения является то, что геномы всех организмов написаны «алфавитом», состоящим всего из четырех молекул азотистых оснований: аденина (A), тимина (T), гуанина (G) и цитозина (C).).
93 процента генома картировано
Мы говорим о коротких тандемных повторах, когда мы находим, например, комбинацию «AC» несколько раз подряд в последовательностях ДНК. Но также и когда последовательность ДНК читает, например, только «A» несколько раз подряд, или, возможно, «CGA», он классифицируется как тандемный повтор. Суть в том, что было очень трудно понять, как на самом деле выглядят смежные последовательности ДНК, когда эти тандемные повторы, кажется, составляют огромное количество точно таких же фрагментов. в огромной головоломке», - объясняет Лекс Недербрагт.
Геном атлантической трески состоит примерно из 700 миллионов пар оснований ДНК (помните, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль с совпадающими парами оснований на каждой цепи). Благодаря недавнему исследованию исследователи изучили в общей сложности 93 процента генома и сумели определить последовательности 23 хромосом трески. Таким образом, им удалось заполнить многие «дыры», оставшиеся после предыдущих опросов.
Картирование ДНК как огромная головоломка
С помощью лучших технологий, доступных на сегодняшний день, можно картировать непрерывные последовательности ДНК длиной до 10 000 пар оснований. Но это далеко от полной хромосомы трески, которая содержит примерно 25 миллионов пар оснований. Поэтому исследователи должны разделить нити ДНК на части, которые затем считываются по отдельности.
Секвенирование ДНК и картирование генома, таким образом, можно сравнить с делением очень длинного текста на множество маленьких кусочков, которые читаются отдельно - буква за буквой, или, точнее: нуклеооснование на нуклеооснование. Следующий шаг - создать оцифрованную копию всего текста, но точно не зная, откуда взялась каждая его часть.
В результате исследователям остается большое количество фрагментов, которые они должны попытаться собрать вместе в оцифрованной копии - очень похоже на головоломку с огромным количеством частей. Лекс Недербрагт объясняет, что у головоломки есть дополнительная проблема из-за тандемных повторов, которые выглядят точно так же, как «обычная» головоломка с большим количеством голубого неба. Но даже если кусочки выглядят совершенно одинаково, исследователи должны выяснить, откуда именно они взялись.
Объединение трех методов
Tørresen, Nederbragt и их сотрудники решили эту проблему, используя параллельно три различные технологии секвенирования, а затем объединив их результаты. Более того, они повторно использовали большие объемы данных из предыдущих геномных исследований и снова проанализировали их с помощью новых и лучших методов.
Самый старый метод, называемый секвенированием 454, может идентифицировать фрагменты длиной до 700 пар оснований. Но этот метод терпит неудачу, если фрагменты содержат несколько одинаковых молекул оснований друг за другом. Если фрагмент, например, содержит последовательность AAAAA, метод не всегда может точно определить, из скольких букв A состоит последовательность», - объясняет Торресен.
Мы также использовали более новый метод, называемый секвенированием Illumina. Этот метод может генерировать фрагменты только длиной до 100 пар оснований, но картирование является более точным, чем метод 454. Кроме того, мы дополнили с третьим методом, называемым секвенированием PacBio, которое во время наших экспериментов могло идентифицировать последовательности ДНК с количеством пар оснований до 2000-3000. Это помогло нам увидеть общую картину, даже если точность была намного хуже, чем у секвенирования Illumina., - объясняет Недербрагт.
Комбинация трех разных методов позволила получить более точные результаты в нашем исследовании. Возможно, немного раздражает тот факт, что технологии эволюционировали за короткий период с начала нашего проекта, так что мы могли бы даже лучшие результаты, если бы мы начали сегодня. Но мы не можем просто сидеть и ничего не делать, ожидая дальнейшего развития технологии», - комментирует Недербрагт.
Каково значение копий?
Ученые, конечно, хотели бы знать, что большое количество коротких тандемных повторов означает для трески как вида.
Наше предположение состоит в том, что это явление имеет эволюционное значение, поскольку многие тандемные повторы обнаруживаются внутри последовательностей ДНК, кодирующих структуру белков. Их длина также имеет тенденцию различаться между поколениями. Это может означать что повторяющиеся последовательности могут давать начало многим разным разновидностям одних и тех же белков Мы полагаем, что такое разнообразие белков может облегчить приспособление трески как вида к новой среде, но мы не можем сказать об этом ничего определенного пока», - комментирует Торресен.
Однако такие вещи точно можно определить. Теперь, когда ученые составили карту генома трески в мельчайших деталях, они могут приступить к идентификации генов, содержащих код определенных белков. Исследователи Института биологических наук только начинают свои исследования в этой области.
Мы уже обнаружили вид рыб, который имеет даже больше тандемных повторов, чем треска, а именно родственную пикшу. И треска (латинское название: Gadus morhua), и пикша (Melanogrammus aeglefinus) являются членами семейства тресковых (Gadidae).). Это может свидетельствовать о том, что во всей группе повышена доля таких повторений», - добавляет Недербрагт.
Оле Кристиан Торресен и Лекс Недербрагт подчеркивают, что все исследования генома трески до сих пор проводились на образцах одного и того же человека, а именно Кальвина. Но в недавно созданном проекте Aqua Genome исследователи из Университета Осло и Норвежского университета наук о жизни (NMBU) собираются изучить геномы большого количества трески и лосося. Например, они могут изучить, как сравниваются разные популяции, такие как шкрей, норвежская прибрежная треска и балтийская треска. Исследователи NMBU концентрируют свои усилия на лососе, в то время как исследователи из Университета Осло продолжают свои углубленные исследования генома трески.
Бесконечная история
Эта новая версия генома трески представляет собой огромное улучшение и будет иметь значение для управления рыболовством в будущем, поскольку она станет эталоном для секвенирования других видов и особей. В то же время улучшенный геном содержит новый потенциал для развития запасов трески, более подходящих для аквакультуры с точки зрения роста, созревания и устойчивости к болезням», - говорит профессор Кетилл С. Якобсен из Института биологических наук и CEES. С самого начала он руководил исследованиями генома атлантической трески в Университете Осло.
"Мы очень гордимся этим огромным шагом вперед в понимании генома трески. Но сборка таких больших геномов - это "бесконечная история", и еще есть возможности для улучшения. Я могу гарантировать, что рано или поздно появится третья версия, и она будет даже лучше, чем эта, но все же не идеальна, добавляет старший советник Сиссель Джентофт в CEES.
Новое исследование было проведено в сотрудничестве между учеными из Университета Осло, NMBU, Института морских исследований в Бергене, Йельской школы медицины и Института Дж. Крейга Вентера.