Yra jau daugiau nei du šimtai visiškai skaitytų gyvūnų genomų • Sergejus Yastrebov • Mokslinės naujienos apie "Elementus" • Genetika, evoliucija

Visiškai skaityti gyvulių genomus jau daugiau nei du šimtus

Pav. 1. Genetiniai duomenys apie šiuolaikinį evoliucinį gyvūnų medį. Bollards vs tipo pavadinimai rodo rūšių skaičių: mėlynas – prognozuojama mėlynas – tikrai aprašyta geltona – rūšys, kurioms yra bent jau keletas molekulinių genetinių duomenų raudona – rūšys, kurios perskaityti visą genomą. Straipsnio iliustracija diskusijojeDabartinė nuomonė genetikoje ir vystyme

Pilnų genomų palyginimas yra svarbiausias evoliucijos tyrimo metodas, kuris nuo 1995 m. Tapo prieinamas biologams. Iki šiol buvo visiškai išnagrinėti 212 daugkulisių gyvūnų genomų. Tai jau leido padaryti keletą bendrų išvadų – pavyzdžiui, iš dalies rekonstruoti minimalų genomo paskutinį bendrąjį gyvūnų protėvį, taip pat įvertinti naujų genų, būdingų šiuolaikinėms genoms, dalis, kuri būdinga tik atskiroms sisteminėms grupėms.

"Visų genomų palyginimas yra vienintelis būdas atstatyti mokslo darbuotoją patenkančią evoliuciją", – knygoje "Proceso logika" parašė garsus bioinformatizistas Eugenijus Kooninas. Galima nesutikti su šio teiginio kategoriniu pobūdžiu, tačiau tai taip pat yra tiesa apie svarbiausią dalyką.Pilnų genomų palyginimas yra metodas, suteikiantis biologams visiškai naujas galimybes stebėti evoliucinį procesą.

Visų genomų lyginimo era prasidėjo 1995 m., Kai Craigo Venterio laboratorija (John Craig Venter) paskelbė rezultatą, skaitomą iš hemofilinės gripo bakterijos genomo. Haemophilus influenzae (R.D. Fleischmann ir kt., 1995. Visuotinis genomo atsitiktinis sekos nustatymas ir surinkimas Haemophilus influenzae) Per metus buvo skaitomos kelios kitos bakterijų genome ir vienas eukariotinis mielių genomas. Saccharomyces cerevisiae. Jie gali ir turi būti lyginami, tobulinant būdus, nustatant pradinius modelius. Per kelerius metus atsirado naujas mokslas – palyginamoji genomika, lygiai taip pat kaip ir lyginamoji anatomija XVIII amžiuje.

Prieš kelias savaites Amerikos biologai Casey Dunn ir Joseph F. Ryan išleido labai trumpą informaciją – penkiose puslapiuose – duomenų, gautų iš pilnų šiuo metu skaitomų daugkulisinių gyvūnų genomų, apžvalga. Jau tiek daug jų, kad galima padaryti pirmas išvadas dėl gyvūnų genetinės evoliucijos.

Donas ir Rijanas aiškiai apibrėžė savo interesus: branduolinių genomų makroevoliuciją. "Makroekvoliucijos" sąlyga reiškia, kad dabar esame susidomėję genominiais skirtumais tarp didelių organizmų grupių,o ne tos, kurias galima rasti tarp panašių rūšių, o ypač netaisyklingos. Branduolinio genomo išlyga reiškia, kad mes nemanome, pavyzdžiui, mitochondrijų DNR (tai taip pat labai įdomu mokytis, bet tai yra ypatinga tema). Taigi, ką mes žinome apie branduolines gyvūnų genomą?

Pirmieji sausieji numeriai. Duno ir Ryano straipsnio paskelbimo metu visiškai išgydytų gyvūnų genomų skaičius buvo 212 (netgi per trumpą laiką, galėjo būti daugiau). Suprantama, kad kiekvienas genomas priklauso atskirai. Dvi šimtai dvylikos rūšių yra mažiau nei du šimtai penki procentai bendro šiuolaikinių gyvūnų rūšių, tai yra apie 1,5 milijono. Be to, šiame bandinyje skirtingos gyvūnų grupės yra labai nevienodos. Pirma, 83% genomų skaityti yra stuburiniai. Antra, yra aiškus požiūris į gyvūnus su mažais genomais, kuriuos techniškai daug lengviau dirbti. Prisiminkite, kad skirtingų gyvūnų genomų dydžiai gali skirtis trimis dydžiais, tai yra, tūkstančiais kartų (žr. "Caudate" varliagyvių genomai buvo dideli nuo pat pradžių, Elementy, 2015.06.25).Gigantiškų genomų, pvz., Plaučių žuvų, savininkai turės laukti savo ruožtu.

Nepaisant to, visi pagrindiniai evoliuciniai gyvūnų šakai yra šiuolaikiški pavyzdžiai, todėl juos galima laikyti gana reprezentatyviais (1 pav.).

Paaiškinkite šį teiginį. Evoliuciniame medyje yra septynios didelės šakos, be paminėjimo apie kurias niekas nėra kalbėjęs apie gyvūnų karalystę (nebent, žinoma, jie nori apibūdinti ją kaip visumą). Tai yra kempinės, kupranugariai, plokštieji, supjaustyti, išstūmimo, spiraliniai ir antriniai sukamieji. Taigi visose šiose srityse be išimties yra atstovų, kurių visiškai genomai jau buvo skaitomi ir įtraukiami į elektronines duomenų bazes. Daugelyje šakų – o ne vienas po kito.

Visi gyvūnų genomai yra daug labiau panašūs į kitus, nei galima tikėtis, atsižvelgiant į jų savininkų išorinius skirtumus. Pvz., Genomo dydis labai silpnai koreliuoja su organizmo sudėtingumu. Žinoma, kalbant apie "sudėtingumą" biologijoje, mes visada turime numatyti, kad sąvoka yra abstraktine ir sunkiai apibrėžta. Bet su bet kokiu jo supratimu, nėra abejonių, pavyzdžiui, kad žmogus, kurio vien tik nervų sistema turi 86 mlrd. Neuronų, yra sudėtingesnis nei apvaliųjų kirmėlių. Caenorhabditis eleganskuris turi 302 neuronus. Iki priešgenominės eros buvo manoma, kad žmonės turi apie 140 tūkstančių genų, tačiau dabar akivaizdu, kad yra tik 20-25 tūkstančių (žr. A. Pančiną, 2015 m. Kiek mūsų DNR yra šiukšlių?). Genų skaičius cenorabditoje yra 19 735 (L.D. W. Hillier ir kt., 2005. Genomika C. elegans: Tiek daug genų, toks mažas kirminas). Kalbant apie genų skaičių, žmogus ir cenorabditas mažai skiriasi vienas nuo kito.

Kiekvienam genomui būdingi du pagrindiniai parametrai: genomo dydis (C) ir genų (G) skaičius. Genomo dydis matuojamas porcijomis nukleotidų, genų skaičius – tik gabaliukais. Plačiai žinoma, kad genomo dydis gali būti labai skirtingas – pagal dydžius – skirtingas organizmuose, kurie yra aiškiai arti kūno struktūros sudėtingumo (pavyzdžiui, dygliuotos ir bejėgios varliagyviai). Šis reiškinys vadinamas "C vertybių paradoksu".

Tačiau su genų skaičiumi yra priešinga. Jis dažnai yra tas pats (bet kokiu atveju palyginamas) organizmuose, beveik visuose kūno prietaiso požymiuose, kurie gali būti tik apgalvoti. Šis faktas vadinamas "G vertybių paradoksu" (M. W. Hahn, G. A. Wray, 2002 g-value paradox). Teoriškai tai gali būti paaiškinta įvairiais būdais, tačiau bet kuriuo atveju tai yra viena iš pagrindinių išvadų, padarytų skaityti visą genomų. Kitais būdais patikimai žinoma, kad genų skaičius negali.Pavyzdžiui, jei mes išmatuojame DNR kiekį ląstelyje cheminiais metodais, mes iš karto gauname informaciją apie genomo dydį, tačiau neįmanoma atskirti genų nuo nekoduojamų sekų (kurių visada yra daug eukariotinių genomų).

Kitas uždavinys, kurio negalima išspręsti be išsamių genomų studijų, yra visų daugkulisinių gyvūnų bendras protėvio genomo rekonstrukcija. Palyginus skirtingų gyvūnų genomus, taip pat jų vienarūšius giminaičius, iš esmės galima nustatyti minimalų genų komplektą, kurį turi turėti šis protėvis. Šiuo metu galima teigti, kad paskutinis visų gyvūnų bendrasis protėvis turėjo ne mažiau kaip 6289 genų šeimas, bendrai su kai kurių viencelčių ir 2141 genų šeimomis, unikalių gyvūnams (prisiminti, kad genų šeima yra genų grupė, gauta iš vieno žvalgybinis genas jį padvigubindamas; žr., pavyzdžiui: kempinių protėviai gali būti sunkesni nei tikėtasi, "Elements", 2015.2.17. Pasirodo, kad bendrasis gyvūnų protėvis turėjo ne mažiau kaip 8430 genų. Tiesa, taip yra, jei kiekviena genų šeima susideda tik iš vieno geno, kuris yra mažai tikėtinas.Tiesą sakant, tikriausiai buvo daugiau genų, tačiau vis dėlto šie skaičiai nėra atskaitos taškas. Bet kokiu atveju, jie nėra galutiniai – nes genomų analizė tęsiasi.

Kai kurios išvados yra susijusios su konkrečiomis genų ir baltymų grupėmis. Pavyzdžiui, ląstelės adhezijos baltymai (ląstelių adhezijos molekulės, CAM), užtikrinančios ląstelių adheziją ir sąveiką tarpusavyje, išvis nebuvo vieninteliai gyvūnams – jie pasirodė mūsų viencelčių giminaičiuose, kurie buvo reikalingi, tikriausiai dėl jų sudėtingo gyvenimo ciklo (žr. H. Suga ir kt., 2013 m Capspora genome atskleidžia sudėtingą vienarūšę gyvūnų priešistoriją). Tačiau daugybė genų ir baltymų, kurie teikia intracellular signalizacijos gyvūnams yra tik unikalus.

Iš paskutinio daugelio ląstelinių gyvūnų pirminio protėvio genomo, žinoma, atsirado – pakartotinai kopijant su pokyčiais – visų gyvūnų, kurie išgyveno iki šiuolaikinių laikų, genomų. Štai kaip buvo suformuotas šakojantis evoliucinis medis, kurį dabar matome. Veiksmai, kurie keičia genomus evoliucijos metu, yra labai įvairūs: skirtingų tipų dubliavimai, genų stabilios sąnario struktūros reorganizavimas (sintetika), įvairių šeimos genų dauginimas ar praradimas, visų rūšių įterpimai,DNR reguliavimo regionų modifikacijos, judriųjų genetinių elementų perdavimas, pakartotinių sekų, pvz., palydovinės DNR, sudėties keitimas ir daug daugiau. Visi šie įvykiai palieka pėdsakus, kurie vienas kitam sutampa. Jie gali būti rasti ir skaityti, maždaug taip pat, kaip galite rasti ir skaityti pataisymus, redaguoti paprasto teksto. Galų gale, genomas taip pat yra tekstas (nors ne tik tekstas, žinoma). Bet kokio gyvūno genome turi visą pasikeitimų registrą, iš kurių daugelis gali būti gana tiksliai pripažįstami ir pasenę. Gana dažnai tai taikoma net ir prieš keletą šimtų milijonų metų įvykusių pokyčių. Tekstas gali sutaupyti viską.

Dabar plačiai žinoma, kad daugiasluoksnių gyvūnų genų "inventorius" yra evoliuciškai labai konservatyvus. Gana dažnai tie patys genai naudojami artimoms funkcijoms žmonėse ir santykinai paprastose būtyb ÷ se, kaip tas pats cenorabditas. Tačiau tai nėra visa tiesa. Bet kuriuose eukariotiniuose genomuose yra 10-20% genų, kurie nėra panašūs į gretimų (ir kitų) organizmų grupių genus (K. Khalturin ir kt., 2009 m. Daugiau negu našlaičiai: ar evoliucijos požiūriu svarbūs taksonomiškai apribojami genai?) . Tokie genai dažnai vadinami berniukų genais, o tai reiškia, kad jie negali rasti protėvių genų.Vis dėlto tikslesnė vadinti taksonomiškai ribotus genus (taksonomiškai ribotus genus, TRG). Taksonomiškai ribotas genas yra tikrai naujas genas, atsirandantis vienos grupės organizmų evoliucijoje. Pavyzdžiui, yra genų, būdingų tik stuburiniams, tik kai kuriems vabzdžiams ar net pelėms. Natūralu, čia kyla įdomūs klausimai. Pirma, iš kur atsiranda naujų genų? Antra, kas yra jų įprastos funkcijos?

Paprašius, iš kur atsirado naujų genų, labiausiai paplitęs atsakymas yra paprastas: nauji genai kilę iš senųjų. Pavyzdžiui, atsitiktinio dubliavimo būdu generuojamos dvi geno kopijos, pirmojoje iš jų mutacijos kaupiasi lėčiau, antroje – greitesnė, todėl antrojo egzemplioriaus pamažu tampa nauju genu su nauja funkcija. Tai iš tiesų yra labai dažnas naujų genų kūrimo mechanizmas, bet ne vienintelis. Akivaizdu, kad nauji genai iš esmės gali būti formuojami iš grynai reguliuojamų DNR regionų arba netgi iš nekoduojančių sekų (D. Tautz, T. Domazet-Loso, 2011. Nežinomų autorių genų evoliucinė kilmė). Kartais papildomi įvykiai yra ant jo, pavyzdžiui, į naująjį geną įterpiant nedidelį kito seno geno gabalėlį.Beje, buvo nustatyta, kad "jaunieji" genai dažniausiai koduoja mažesnius baltymus nei "seni". Pasirodo, kad ilgaamžis genas, kaip buvo, kaupia apkrovą, sudarytą iš atsitiktinių įdėklų, tačiau, savo ruožtu, gali būti atrinkta ir įgyjama naujų funkcijų. Bet kokiu atveju naujų genų formavimas, kaip ir daugelis biologijos procesų, negali būti susilpnintas iki vieno mechanizmo. Yra keli tokie mechanizmai, kuriuos galima sujungti.

Kalbant apie taksonomiškai ribotų genų funkcijas, jie labai įvairūs. Tai susiję vieninteliu dalyku: dauguma šių funkcijų yra būdingos šiai gyvūnų grupei ir jos nėra randamos už jos ribų.

Pavyzdžiui, klonavimo rūšis, į kurią įeina medūza ir polipai (įskaitant hidras ir koralus), turi savo rinkinį taksonomiškai ribotų genų. Galbūt labiausiai ryškus akinančių gyvūnų bruožas yra stinging ląstelės (cnidocytes), kurių garbei šis tipas gavo savo vardą. Cidocitai yra vieni iš labiausiai sudėtingų gyvulių karalystėje rastų ląstelių. Kiekviename cnidocytame yra sulenktas gijinis siūlas su nuodingomis medžiagomis ir išmetimo mechanizmu.Cinidocitai yra labai įvairūs, jų yra daugiau nei 30 rūšių, tačiau nė vienas kitas gyvūnas neturi tokių ląstelių. Taigi, pasirodė, kad labai daug genų, būdingų tik susidūrimui, yra susiję su specifiniais stingingų ląstelių organeliais. Pavyzdžiui, visa tokių genų grupė koduoja minicollagenus – unikalius trumpus baltymus, kurie yra intraląstelinės kapsulės sienos dalis, kurioje yra girliuojantis siūlas. Vienoje gėlo vandens hidros rūšyse buvo nustatyta, kad 41 genas yra aktyvus tik girliuojančiose ląstelėse ir nėra panašus į kitų rūšių gyvūnus. Pasirodo, apskritai yra logiška: nauji genai suteikia evoliucines naujoves, kurios pasireiškia jau organizmo lygmeniu (2 pav.).

Pav. 2 Naujų genų atsiradimo greitis namuos pelių protėvių genomose (Mus musculus)Drosophila Muilas (Drosophila melanogaster) ir žydintys augalai Arabidopsis thaliana. Kiekvienoje diagramoje horizontaliai laikas (prieš milijonus metų) ir vertikaliai naujų genų skaičius, kuris pasirodė vidutiniškai milijoną metų. Čia taip pat vadinami nauji genuomenės genai, taigi jie sukuria visas genų grupes. Grafikai yra ypač įdomūs.Gyvūnų genomų istorijoje aiškiai matomas pikis, susijęs su daugelio elementų atsiradimu (Eumetazoa). Pelės genomo istorijoje yra dvi skirtingos smailės – numatytuose stuburinių ar galvos smegenų (Craniata) ir placentų žinduolių (Euterijos) atsiradimo metu. Per šiuos palyginti trumpus laikotarpius pasirodė daug naujų genų. Žaliojo augalo genomo istorijoje yra pikai. Čia, norint sukurti tokią grafiką, būtina žinoti visas genomą. Iliustracija iš straipsnio: D. Tautz, T. Domazet-Loso, 2011. Nežinomų autorių genų evoliucinė kilmė

Bet koks genomas yra tam tikra prasme archyvas, kuriame dokumentuojami įvykiai, kurie įvyko per visą evoliucijos liniją nuo paskutinio visų visų gyvų organizmų (paskutinio visuotinio bendrinio protėvio, LUCA) bendro protėvio iki šio genomo savininko. Pavyzdžiui, pelės genomas užfiksuoja įvykių pėdsakus, kurie įvyko per visą LUCA neapsaugotų protėvių ir palikuonių grandinę į šią pelę. Žinoma, kai kurios evoliucijos pėdsakai ištrinami be pėdsakų, ir nieko apie tai negalima daryti. Tačiau labai daug lieka. Be to, visos šios pėdsakos yra uždaros sudėtingos tvarkomos struktūros, todėl jas galima nustatyti sluoksniais. Šiuo atžvilgiu lyginamosios genomikos darbas primena stratigrafiją ar archeologiją.

Su visais lyginamosios genomikos didybėmis jis negali būti vadinamas modernios evoliucinės biologijos "alfa ir omega". Donas ir Rianas teisingai pastebi, kad ne visi biologai, atliekantys lyginamąją genomų analizę, yra suinteresuoti genomo evoliucija. Dažniau genomų istorija yra tarpininkas (proxy), kuris supranta kitus evoliucijos aspektus, susijusius su fenotipu ir organizmu. Panašiai istorikas, paleografijos metodai ir šaltinių studijos, tiriančios viduramžių dokumentus, labiausiai domina ne tekstus kaip tokius, bet socialinių ir istorinių procesų, kuriuos galima rasti šiuose tekstuose.

Šaltinis: Casey W. Dunn ir Joseph F. Ryan. Gyvūnų genomų raida // Dabartinė nuomonė apie genetiką ir vystymąsi. 2015. V. 35. P. 25-32.

Sergejus Ястребов


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: