Почему дельфин — не кошка? Как перепрофилирование некодирующих элементов генома привело к великой «радиации млекопитающих»

Новое исследование показывает, как эволюция создала богатое разнообразие видов, перепрофилируя функциональные элементы, общие для всех млекопитающих. Опубликованное в Cell учёными из Европейского института биоинформатики (EMBL-EBI) и Института исследования рака Кембриджского университета (CRUK CI), исследование демонстрирует, как методы изучения биологии человека можно использовать для понимания широкого спектра видов.

Все млекопитающие имеют общего предка и множество одинаковых генов. Так что же именно делает дельфина не кошкой, и как мы все начали расходиться друг от друга миллионы лет назад? Часть ответа кроется в том, как и когда регулируются гены. Это исследование изучает эволюцию регуляции генов у 20 видов млекопитающих и даёт глубокое понимание «радиации млекопитающих» — периода быстрой морфологической эволюции, наступившего вскоре после падения астероида, вызвавшего вымирание динозавров.

Опираясь на результаты сравнения геномных последовательностей 29 млекопитающих и с помощью организаций по охране природы, таких как UK Cetacean Strandings Investigation Programme и Копенгагенский зоопарк, команда смогла изучить и сравнить регуляцию генов в клетках печени 20 ключевых видов, включая голого землекопа, человека, тасманийского дьявола, дельфина и сейвала.

«Мы показали, что эволюция перепрофилирует элементы, существующие у всех видов, чтобы сделать каждый вид уникальным, — объясняет Пол Флайсек, руководитель направления геномики позвоночных в EMBL-EBI. — Изучив промоторы и энхансеры генов у многих разных млекопитающих, мы продемонстрировали, что видоспецифичные энхансеры происходят из древней ДНК — эволюция захватывает ДНК, которая существует давно, и использует её для регуляции генов в специфичных тканях».

У эволюции есть два способа превратить изменения в геноме в различия между видами: она может изменить последовательность белка или способ, которым промоторы или энхансеры контролируют его экспрессию. Данное исследование также показывает, что в некоторых случаях эволюция использует обе стратегии одновременно. Когда аминокислотные последовательности эволюционируют очень быстро, важные регуляторные изменения происходят в то же время: кодирующая белок последовательность и соответствующая регуляторная последовательность меняются синергетически.

Сбор образцов, который возглавлял Диего Вильяр из CRUK CI, занял более двух лет, а сами эксперименты породили ошеломляющий объём данных. Анализ результатов вывел команду на новый рубеж в биоинформатике.

«Люди тратят много времени и денег, пытаясь понять биологию человека, поэтому большинство наших инструментов предназначены для изучения человеческих геномов, — объясняет Камиль Бертело из EMBL-EBI, руководившая вычислительной работой. — Референсные данные, которые у нас есть для менее изученных видов, таких как сейвал или тасманийский дьявол, совсем не похожи на тщательно изученные наборы данных для человеческого генома. Многое из того, что мы делали, включало тестирование и проверку того, что методы и алгоритмы подходят для такого сравнения».

«Нас вдохновило желание взобраться на вершину горы, оглядеться и увидеть, что происходит в ландшафте молекулярной эволюции во всём пространстве млекопитающих, — говорит Дункан Одом из CRUK CI и Института Сенгера Wellcome Trust. — Что захватывает в этом исследовании, так это то, что теперь мы знаем, что можем начать отвечать на вопросы о функциональной генетике многих малоизученных видов — вопросы, которые мы обычно можем задавать только о людях и мышах. Мы можем использовать инструменты, разработанные для изучения человека, чтобы понять биологию самых разных животных, будь то дрозды или слоны, и изучить их взаимосвязь. Это исследование дало нам новое понимание эволюции млекопитающих и доказало, насколько мощными могут быть эти методы».