Новые, более качественные сборки геномов человекообразных обезьян были созданы без помощи эталонного генома человека. Попытка уменьшить «очеловечивание» предвзятости при открытии геномов человекообразных обезьян дает более четкое представление о генетических различиях, возникших по мере того, как люди отделялись от других приматов.
В выпуске журнала Science от 8 июня исследователи сообщают об улучшенных геномах орангутангов и шимпанзе, которые были созданы с нуля с использованием давно читаемой технологии секвенирования PacBio и технологии дальнего картирования. Недавно собранные геномы, тесно связанные между собой, представляют собой лучший ресурс для открытия новых генов и сравнительной геномики с высоким разрешением среди человекообразных обезьян.
Многоучрежденческий проект, в котором участвуют более 40 ученых из дюжины исследовательских центров, возглавили Зев Н. Кроненберг и Эван Эйхлер, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза в Департаменте геномных наук Вашингтонского университета. Школа медицины. Кроненберг теперь старший вычислительный биолог в Phase Genomics.
Ученые отмечают, что многие генетические различия между людьми и другими обезьянами не были обнаружены при первом сравнении их геномов. Области быстрых структурных изменений все еще оставались туманными в этих ранних сборках генома. Это затруднило их сравнение и ограничило открытие функциональных различий, отличающих людей от других обезьян.
Сочетая сборку долгочитаемой последовательности с подходом к построению каркаса гибридного генома, исследователи устранили большинство пробелов в геномах обезьян. Некоторые из этих пробелов содержали гены, которые теперь правильно аннотированы в новых геномах. Чтобы лучше понять структуру генов, авторы дополнили свои усилия секвенированием более 500 000 полноразмерных генов каждого вида.
Новое исследование предоставляет наиболее полный каталог генетических вариантов, которые были приобретены или утрачены в разных линиях обезьян. Некоторые из этих вариантов влияют на то, как по-разному экспрессируются гены у человека и человекообразных обезьян.
Исследователи изучили возможное влияние некоторых генетических вариантов и регуляторов функции генов на такие области, как различия в питании человека и обезьяны, анатомия и формирование мозга.
Исследовательская группа провела сравнительный анализ геномов человека и человекообразных обезьян, в том числе сборку гориллы, новую сборку генома африканского человека и сборку гаплоидного пузырного заноса человека. (Поскольку они содержат только половину парных хромосом человека, исследования этих редких человеческих новообразований помогают различать похожие дублированные гены.) Все геномы были секвенированы и собраны с использованием одного и того же процесса.
Кроме того, исследователи изучили органоиды головного мозга - выращенные в лаборатории ткани, полученные из стволовых клеток обезьян или людей и формирующие упрощенную версию частей органов. Эти прокси мозга были исследованы, чтобы попытаться понять, как различия в экспрессии генов во время развития мозга у людей и шимпанзе могут объяснить меньший объем мозга шимпанзе, который в три раза меньше, чем объем мозга человека. Существуют также значительные различия в корковых структурах мозга человека и шимпанзе.
Исследователи наблюдали в органоидах, что определенные гены, особенно те, которые находятся в клетках, подобных предшественникам радиальных глиальных нейронов, подавляются у людей по сравнению с шимпанзе. Эти гены, скорее всего, потеряли сегменты ДНК, особенно в человеческой ветви, важные для регуляции их экспрессии.
Ученые заявили, что это открытие согласуется с гипотезой «меньше значит больше», предложенной в 1990-х годах ныне вышедшим на пенсию профессором геномных наук Школы медицины Университета Вашингтона Мейнардом Олсоном и его коллегами. Гипотеза предполагает, что потеря функциональных элементов способствует критическим аспектам эволюции человека.
С другой стороны, некоторые человеческие гены, по-видимому, связаны с активацией нейронных предшественников и возбуждающих нейронов в нервной системе. Эти гены, скорее всего, получили дополнительные копии у человека, по сравнению с другими обезьянами, в процессе дупликации генов.
Исследователи заявили, что их недавние результаты согласуются с их предыдущими исследованиями, показывающими, что геномы общей предковой линии африканских человекообразных обезьян, вероятно, подверглись расширению сегментарной дупликации более 10 миллионов лет назад. Эти повторения участков генетического кода, возможно, сделали геномы высших приматов особенно склонными к делециям и дупликациям, тем самым ускорив скорость мутаций с серьезными последствиями, которые способствовали эволюции видов приматов.
Другие открытия, о которых сообщается в этой научной статье, связаны с исследованием происхождения ископаемого вируса, подобного современным ретровирусам, который, как считается, присутствовал в геноме общего предка всех африканских человекообразных обезьян. Последовательность высокого качества помогла идентифицировать «источник PtERV1», общий для шимпанзе и горилл. Современные шимпанзе и гориллы несут сотни ретровирусных вставок PtERV1, которые, по-видимому, произошли из этого источника, который так и не попал в геном человека. «Исходный PtERV1» не учитывался в более ранних проектах геномов, потому что он отображался на богатых повторами пробелах.
В других аспектах этого проекта сравнение геномов гориллы и человека выявило новую инверсию последовательности горилл рядом с важным геном, который контролирует морфологию позвоночника полового члена, которого нет у людей. Эти небольшие бугорки на поверхности кожи встречаются у обезьян и некоторых других млекопитающих.
У людей также были удалены некоторые гены, участвующие в синтезе жирных кислот. В этом проекте были выявлены некоторые генетические изменения, связанные с диетическим метаболизмом. Возможно, они сыграли важную роль в эволюции видов обезьян. Диета великих обезьян варьируется от строго вегетарианской до почти любой еды.
Исследователи, участвовавшие в этом исследовании, предсказывают, что более продвинутые технологии долгосрочного секвенирования и картирования, а также секвенирование с более длительным чтением помогут расширить знания об эволюционном пути, пройденном человекообразными обезьянами и нашими предками человека. Ученые предупреждают, что геномы обезьян и их работа над ними еще не завершены, потому что в сборках геномов все еще отсутствуют другие более крупные и сложные структурные вариации, которые еще не могут быть собраны.
«Наша цель, - сказал Эйхлер, - состоит в том, чтобы создать несколько геномов обезьян такого же высокого качества, как геном человека. Только тогда мы сможем по-настоящему понять генетические различия, которые делают нас уникальными людьми».