Международная группа ученых сообщает в журнале Genome Biology о результатах пилотного проекта под руководством Роберта Уотерхауса, руководителя группы Швейцарского института биоинформатики SIB и Лозаннского университета, по запуску глобального секвенирования. инициатива тысяч членистоногих. Сравнительный анализ 76 видов, охватывающих 500 миллионов лет эволюции, выявил динамические геномные изменения, которые указывают на ключевые факторы их успеха и открывают множество новых областей исследований.
Друзья и враги, членистоногие правят миром
Членистоногие составляют самую богатую видами и разнообразную группу животных на Земле, с многочисленными адаптациями за 500 миллионов лет эволюции, которые позволили им эксплуатировать все основные экосистемы. Они играют жизненно важную роль в здоровой экологии нашей планеты, а также приносят как пользу, так и вред для успеха человечества в результате опыления и переработки биоотходов или уничтожения урожая и распространения болезней. «Секвенируя и сравнивая их геномы, мы можем начать идентифицировать некоторые из ключевых генетических факторов, лежащих в основе их эволюционного успеха, - объясняет Уотерхаус, - но положит ли влияние деятельность человека в наше время конец их правлению, или их способность адаптироваться и вводить новшества для обеспечения их выживания?"
Пилотный проект i5k: запуск секвенирования генома членистоногих
Инициатива i5k по секвенированию и аннотированию геномов 5000 видов насекомых и других членистоногих была запущена в письме в журнал Science в 2011 году. С самого начала инициатива была направлена на поддержку разработки новых геномных ресурсов для понимания молекулярной биологии и эволюции членистоногих. С тех пор i5k превратилась в широкое сообщество ученых, использующих геномику для изучения насекомых и других членистоногих в самых разных контекстах, от фундаментальной биологии животных до воздействия на экологию и окружающую среду, а также воздействия на здоровье человека и сельское хозяйство2. Чтобы запустить i5k, в Медицинском колледже Бейлора под руководством Стивена Ричардса был запущен пилотный проект по секвенированию, сборке и аннотированию геномов 28 различных видов членистоногих, тщательно отобранных из 787 номинаций сообщества.
Крупномасштабное сравнение геномов нескольких видов
«Идентификация и аннотация тысяч генов в рамках пилотного проекта i5k существенно увеличили нашу текущую геномную выборку членистоногих», - говорит Уотерхаус. Сочетание их с ранее секвенированными геномами позволило исследователям провести крупномасштабный сравнительный анализ 76 различных видов, включая мух, бабочек, мотыльков, жуков, пчел, муравьев, ос, настоящих жуков, трипсов, вшей, тараканов, термитов, поденок, стрекоз., стрекозы, щетинохвосты, ракообразные, многоножки, пауки, клещи, клещи и скорпионы. Аспиранты Грегг Томас из Университета Индианы, США, и Элиас Домен из Университета Мюнстера, Германия, использовали аннотированные геномы для проведения компьютерного эволюционного анализа более миллиона генов членистоногих.
Динамическая эволюция семейства генов - ключ к успеху?
Анализ команды был сосредоточен на отслеживании истории эволюции генов для оценки изменений в содержании и структуре генов за 500 миллионов лет. Это позволило идентифицировать семейства генов, которые значительно увеличились или уменьшились в размере, вновь появились или исчезли, или перестроили свои белковые домены между и внутри каждой из основных подгрупп членистоногих. Семейства генов, которые оказались наиболее динамично изменяющимися, кодируют белки, участвующие в функциях, связанных с пищеварением, химической защитой, а также построением и ремоделированием хитина - основной части экзоскелета членистоногих. Приспособленность пищеварительных процессов и механизмов обезвреживания вредных химических веществ, несомненно, пошли на пользу членистоногим, завоевавшим самые разнообразные экологические ниши. Возможно, что еще более важно, гибкость, которая приходит с сегментированным телом и динамически ремоделируемым экзоскелетом, позволила им процветать, физически адаптируясь к новым экосистемам.
Инновации через изобретения и перепрофилирование
Новые семейства генов также отражают функции, которые, как известно, важны для различных групп членистоногих, такие как визуальное обучение и поведение, обнаружение феромонов и запахов, активность нейронов и развитие крыльев. Это может улучшить способность находить пищу или точно настроить самопознание и общение видов. Напротив, у предков насекомых, подвергшихся полной метаморфозе, было выявлено несколько изменений: резкое изменение от ювенильной формы до полностью развитой взрослой особи (подобно превращению гусеницы в бабочку). Традиционно это считалось важным шагом в эволюции насекомых от исходного состояния развития через постепенные стадии нимфы до, наконец, достижения взрослой стадии.«Эти результаты подтверждают идею о том, что этот ключевой переход, скорее всего, произошел за счет перемонтажа существующих генных сетей или создания новых сетей с использованием существующих генов, сценарий новых трюков для старых генов», - объясняет Уотерхаус..
Геномный взгляд на биологию и эволюцию членистоногих
Несколько подробных геномных исследований отдельных видов i5k были сосредоточены на их удивительных биологических особенностях, таких как экология питания и биология развития молочая, устойчивость к инсектицидам, кровопитание и травматический секс постельного клопа, горизонтальный перенос генов от бактерий и грибков и переваривание растительных материалов азиатским усачом, а также взаимодействия паразит-хозяин и потенциальные вакцины от овечьей мясной мухи. Комбинированный анализ выявляет динамически меняющиеся и вновь возникающие семейства генов, которые будут стимулировать новые области исследований. «Мы можем взять эти гипотезы в лабораторию и использовать их для непосредственного изучения того, как геном преобразуется в видимую морфологию с разрешением, которое невозможно достичь ни с одной другой группой животных», - говорит соавтор Ариэль Чипман из Еврейского университета. Иерусалима, Израиль. Новые ресурсы существенно продвигают прогресс в создании всеобъемлющего геномного каталога жизни на нашей планете, и с более чем миллионом описанных видов членистоногих и оценками в семь раз больше, очевидно, предстоит еще многое открыть!
Следующие шаги в геномике членистоногих и не только
Более эффективные и экономичные технологии секвенирования ДНК означают, что уже реализуются новые амбициозные инициативы по секвенированию геномов дополнительных членистоногих. К ним относятся Глобальный альянс генома муравьев и Глобальный альянс геномики беспозвоночных, а также проект «Древо жизни Дарвина», нацеленный на все известные виды животных на Британских островах, и глобальная сеть сообществ, координируемая проектом «Биогеном Земли» (EBP).), целью которого является секвенирование всего эукариотического биоразнообразия Земли7. Цели EBP также включают улучшение благосостояния человека, где роль членистоногих ясна, а скрытые выгоды, вероятно, будут существенными, а также защита биоразнообразия и понимание экосистем, где тревожные сообщения о сокращении численности делают членистоногих приоритетом.«Таким образом, завершение пилотного проекта i5k представляет собой важную веху на пути активизации усилий по разработке всеобъемлющего геномного каталога жизни на нашей планете», - заключает Ричардс.