Высокоскоростная эволюция в лаборатории: оценка экономически эффективного анализа геномов
Жизнь подразумевает изменение, и это справедливо и для генов. Организмам требуется гибкий геном, чтобы адаптироваться к изменениям окружающей среды. Команда Кристиана Шлёттерера из Института популяционной генетики Венского университета ветеринарной медицины изучает геномы целых популяций. Учёные хотят понять, почему особи отличаются друг от друга и как эти различия закодированы в ДНК. В двух обзорных статьях, опубликованных в журналах Nature Reviews Genetics и Heredity, они обсуждают, почему секвенирование ДНК целых групп может быть эффективным и экономичным способом ответить на эти вопросы.
Анализ ДНК стал значительно эффективнее и дешевле с момента первой полной расшифровки генома человека в 2001 году. Однако секвенирование полного генома всё ещё стоит около 1000 долларов США. Секвенирование генетического кода сотен особей было бы очень дорогим и трудоёмким, особенно в исследованиях на нечеловеческих объектах.
Секвенирование групп вместо отдельных особей
Решение этой проблемы — секвенирование пулов (Pool-Seq). Команда Шлёттерера секвенирует целые группы плодовых мушек (Drosophila melanogaster) сразу, вместо проведения множества индивидуальных реакций. Хотя полученную генетическую информацию нельзя приписать отдельной особи, полный набор данных всё равно предоставляет важную генетическую информацию о всей популяции.
В публикациях обсуждается широкий круг вопросов, которые можно решить с помощью Pool-Seq.
Поиск строительных блоков эволюции
Чтобы понять, как организмы реагируют на изменения среды, можно анализировать геномы целых популяций с помощью Pool-Seq до и после изменения условий. Для этого исследователи используют метод "эволюция и повторное секвенирование" (E&R). Шлёттерер получил грант ERC Advanced Grant за этот подход в 2012 году.
E&R — это метод, при котором секвенируется ДНК группы особей. После того как потомков этой группы в течение нескольких поколений подвергают определённому стрессу (например, высокой температуре, экстремальному холоду или УФ-излучению), эволюционировавшую группу секвенируют снова. Сравнение двух наборов данных выявляет гены, которые изменились в ответ на селективный стресс. Этот подход позволяет, например, выявить гены, участвующие в появлении более тёмной пигментации в ответ на УФ-излучение.
"Используя этот принцип, мы можем проводить эксперименты по эволюции на высокой скорости. Мы применяем этот метод для решения широкого круга вопросов: от идентификации генов, влияющих на старение, или генов, защищающих от болезней, до понимания генетических изменений, снижающих влияние изменения климата", — объясняет Шлёттерер.
Выявление генетики старения и устойчивости к болезням
Подход E&R также позволяет выявить гены, регулирующие старение. Этот процесс включает отбор мух из популяции, которые достигают особенно преклонного возраста, повторяющийся в течение поколений. Спустя несколько поколений исследователи сравнивают геномы "мафусаиловых" мух с геномами нормально стареющих мух, чтобы выделить гены, участвующие в процессе старения. Этот метод также работает для поиска генов, обеспечивающих устойчивость к определённым заболеваниям.
Биоинформатик и соавтор Роберт Кофлер поясняет: "Мы имеем дело с процессами генетических изменений и ищем вариации в геномах. Эти вариации могут помочь нам понять, как работает эволюция".