Чтобы посмотреть, как развивалась жизнь, ученые обычно обращаются к летописи окаменелостей, но эта летопись часто бывает неполной. Исследователи из Высшего университета науки и технологий Окинавы (OIST) вместе с международной командой сотрудников использовали еще один инструмент - хромосомы живых животных - чтобы раскрыть подсказки о нашем прошлом. Исследование, опубликованное в журнале Nature Ecology and Evolution, раскрывает ранние события в эволюции позвоночных, в том числе то, как челюстные позвоночные возникли в результате гибридизации двух видов примитивных рыб.
«Примечательно, что, хотя эти события произошли почти полмиллиарда лет назад, мы можем понять их, глядя на ДНК сегодня», - сказал профессор Даниэль Рохсар, руководитель отдела молекулярной генетики OIST.
Чтение историй в наших генах
Хромосомы - это крошечные структуры, несущие генетический материал организма. Обычно они входят в парные наборы, по одному набору, унаследованному от каждого родителя. Хотя у людей 23 пары, это число варьируется в зависимости от вида.
Исследование показало, что даже спустя сотни миллионов лет хромосомы могут быть на удивление стабильными. Хотя произошли мутации и перестройки, хромосомы современных животных имеют поразительное сходство друг с другом.
«Мы можем использовать это сходство, чтобы проследить нашу эволюцию и вывести биологию из далекого прошлого, - сказал профессор Рохсар, - если группа генов переносится вместе на одних и тех же хромосомах у двух очень разных животных - скажем, улиток. и морские звезды - тогда эти гены, вероятно, тоже были вместе в одной и той же хромосоме у их последнего общего предка."
Два бывших ученых-постдокторантов OIST, профессор Олег Симаков, ныне работающий в Венском университете, и доктор Фердинанд Марлетаз, ныне работающий в Университетском колледже Лондона, возглавили исследование, в котором сравнивались хромосомы амфиокса, небольшого морского беспозвоночного, к другим животным, включая моллюсков, млекопитающих, птиц, лягушек, рыб и миног.
После учета нескольких перестроек они пришли к выводу, что хромосомы амфиокса напоминают хромосомы давно вымерших предков позвоночных, и подтвердили существование 17 древних хромосомных единиц. Затем исследователи проследили эволюцию этих древних хромосом у современных позвоночных.
«Реконструкция хромосом предков была ключом, который позволил нам разгадать несколько загадок ранней эволюции позвоночных», - сказал профессор Рохсар.
Дублирование и исчезновение
Загадки сосредоточены на явлении, известном как «дупликация генома». В 1970-х годах генетик Сусуму Оно предположил, что геномы позвоночных были удвоены, возможно, неоднократно, по сравнению с их беспозвоночными предками. Геномные исследования подтвердили и уточнили это предположение, но вопрос о том, сколько было удвоений, как и когда они произошли, до сих пор остается предметом дискуссий.
Часть проблемы заключается в том, что дуплицированные геномы быстро меняются, и эти изменения могут скрыть саму дупликацию. Хотя удвоенный геном начинается с избыточных копий каждого гена, большинство этих дополнительных копий будут инактивированы мутациями и в конечном итоге потеряны; сами удвоенные хромосомы также могут стать скремблированными.
Используя 17 пар хромосом предков в качестве древней опоры, исследователи пришли к выводу, что было два отдельных случая удвоения генома.
Первая дупликация присуща всем живым позвоночным - как челюстным позвоночным, включая людей, птиц, рыб и лягушек, так и бесчелюстным миногам и их родственникам. Исследователи пришли к выводу, что это самое древнее дублирование произошло около пятисот миллионов лет назад, примерно в то же время, когда появляются самые ранние окаменелости позвоночных.
Вторую дупликацию разделяют только челюстные позвоночные. Исследователи обнаружили, что, в отличие от первого случая, потеря гена после второго удвоения происходила неравномерно в двух наборах хромосомных копий - удивительная, но информативная особенность.
«Такого рода неравномерная потеря генов является отличительной чертой дупликации генома, которая следует за гибридизацией двух видов», - сказал профессор Рохсар.
Обычно гибридное потомство двух разных видов бесплодно, отчасти потому, что хромосомы двух родителей не скоординированы должным образом. Но очень редко у некоторых рыб, лягушек и растений гибридный геном удваивается для восстановления хромосомного спаривания. Полученное потомство имеет в два раза больше хромосом, чем их несовпадающие родители, и часто более энергично. Новое исследование неожиданно обнаружило, что такое гибридное удвоение имело место у наших древних предков.
«Более 450 миллионов лет назад два разных вида рыб скрестились и в процессе этого породили новый гибридный вид с вдвое большим количеством хромосом, - сказал профессор Рохсар, - и этот новый вид станет предком всех живых челюстных животных, включая нас!"