Что, если бы исследователи могли вернуться на 105 миллионов лет назад и точно секвенировать хромосомы первого плацентарного млекопитающего? Что это может рассказать об эволюции и современных млекопитающих, включая человека?
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи вернулись в прошлое, по крайней мере виртуально, с помощью вычислений воссоздав хромосомы первого плацентарного млекопитающего, давно вымершего предка, похожего на землеройку. плацентарные млекопитающие.
«Революция в секвенировании ДНК предоставила нам достаточное количество геномных сборок хромосомного масштаба, чтобы позволить компьютерную реконструкцию плацентарного предка, а также других ключевых предков по линии, ведущей к современным людям», - сказал Харрис Левин. ведущий автор исследования и профессор эволюции и экологии, заведующий кафедрой Роберта и Розабель Осборн в Калифорнийском университете в Дэвисе.
Теперь мы понимаем основные этапы хромосомной эволюции, которые привели к организации генома более чем половины существующих отрядов млекопитающих. Эти исследования позволят нам определить роль хромосомных перестроек в формировании новых видов млекопитающих. и как такие перестройки приводят к адаптивным изменениям, характерным для разных линий млекопитающих», - сказал Левин.
Выводы также имеют большое значение для понимания того, как хромосомные перестройки на протяжении миллионов лет могут способствовать возникновению таких заболеваний человека, как рак.
«Получив лучшее понимание взаимосвязи между эволюционными точками останова и точками останова рака, можно выявить основные молекулярные особенности хромосом, которые приводят к их нестабильности», - сказал Левин. «Наши исследования могут быть расширены до раннего выявления рака путем выявления диагностических хромосомных перестроек у людей и других животных и, возможно, новых целей для персонализированной терапии."
Дескремблирование хромосом
Чтобы воссоздать хромосомы этих древних родственников, команда начала с секвенирования геномов 19 существующих плацентарных млекопитающих - всех потомков плацентарных - включая человека, козу, собаку, орангутанга, крупного рогатого скота, мышь и шимпанзе, среди прочих.
Затем исследователи использовали новый разработанный ими алгоритм под названием DESCHRAMBLER. Алгоритм вычислил («дескремблировал») наиболее вероятный порядок и ориентацию 2404 фрагментов хромосом, которые были общими для геномов 19 плацентарных млекопитающих.
«Это самый крупный и наиболее полный подобный анализ, выполненный на сегодняшний день, и было показано, что DESCHRAMBLER производит высокоточные реконструкции, используя моделирование данных и сравнивая его с другими инструментами реконструкции», - сказал Цзянь Ма, один из руководителей исследования. автор и адъюнкт-профессор вычислительной биологии в Университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге.
В дополнение к плацентарному предку были проведены реконструкции геномов шести других предков на эволюционном древе человека: бореэвтерианский, эуархонтоглирный, обезьяноподобный (приматы), катаррини (обезьяны Старого Света), человекообразные обезьяны и человеко-шимпанзе. Реконструкции дают подробную картину различных хромосомных изменений - транслокаций, инверсий, делений и других сложных перестроек, - которые произошли за 105 миллионов лет между первым млекопитающим и Homo sapiens.
Скорость эволюции варьируется
Одно из открытий состоит в том, что у первого плацентарного предка, вероятно, было 42 хромосомы, на четыре меньше, чем у людей. Исследователи определили 162 точки разрыва хромосомы - места, где хромосома разрывается, допуская перестройки - между плацентарным предком и формированием человека как вида.
Скорость эволюции наследственных хромосом сильно отличалась среди разных линий млекопитающих. Но некоторые хромосомы оставались чрезвычайно стабильными с течением времени. Например, в шести из реконструированных хромосом предков плацентарных птиц не было обнаружено никаких перестроек в течение почти 100 миллионов лет до появления общего предка человека и шимпанзе..
Хромосомы орангутана оказались самыми медленными эволюционирующими из всех приматов и до сих пор сохраняют восемь хромосом, которые не сильно изменились в отношении ориентации порядка генов по сравнению с плацентарным предком. Напротив, линия, ведущая к шимпанзе, имела самый высокий уровень хромосомных перестроек среди приматов.
Когда хромосомы перестраиваются, могут образовываться новые гены и регуляторные элементы, которые изменяют регуляцию экспрессии сотен или более генов. По крайней мере, некоторые из этих событий могут быть ответственны за основные фенотипические различия, которые мы наблюдаем между млекопитающими. заказы», - сказал Денис Ларкин, соавтор исследования и преподаватель сравнительной геномики в Королевском ветеринарном колледже Лондонского университета.
Хромосомы трех древнейших предков (евтерианских, бореевтерианских и эуархонтоглирных) включали более 80 процентов всей длины человеческого генома, что является наиболее подробными реконструкциями, о которых сообщалось на сегодняшний день. Реконструированные хромосомы самого последнего общего предка обезьян, катарринов, человекообразных обезьян, а также людей и шимпанзе включали более 90 процентов последовательности генома человека, обеспечивая структурную основу для понимания эволюции приматов.