Эволюция как критик: как естественный отбор помогает оценить значимость генома
В 2003 году проект «Геном человека» раскрыл три миллиарда химических единиц в человеческой ДНК. С тех пор учёные ищут способы организовать и оценить этот огромный объём информации. Специалисты из Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) определили, что в этих усилиях может помочь эволюция.
Известно, что лишь ~1% человеческого генома составляют гены, кодирующие белки. Однако также выяснено, что примерно ~5% генома оставалось консервативным (неизменным) на протяжении множества поколений, несмотря на мутации и эволюцию.
«Это говорит о том, что дополнительные 4% генома делают что-то действительно важное, даже если мы не знаем точно что», — пояснил Адам Сипел, вычислительный биолог и профессор CSHL.
Чтобы разгадать загадку этих 4%, учёные более десяти лет разрабатывали методы поиска функций в различных участках генома. Для понимания влияния генома на организм они обратились к эпигеному — совокупности химических соединений, присоединяющихся к ДНК и влияющих на то, как и когда клетки используют части генома.
Поиск паттернов среди эпигеномных факторов позволял предполагать, где находятся важные участки и есть ли у них общая биологическая функция. Однако эта уверенность сравнима с попыткой определить значимость сцены в пьесе, видя только реквизит и костюмы.
«Эта неопределённость в истинной биологической значимости многих эпигеномных измерений является критическим барьером... для интерпретации данных и для принятия решений о том, сколько новых данных собирать, какого типа и в каких комбинациях», — отметили Сипел и его коллега Брэд Гулко в публикации в Nature Genetics.
Лаборатория Сипела нашла способ обойти этот барьер, задав вопросы:
- «Что, если мы позволим эволюции проделать работу по определению важности частей генома?»
- «Сколько мы узнаём из каждого набора эпигеномных данных?»
Исследователи использовали:
- Данные современных человеческих популяций для поиска следов недавнего естественного отбора.
- Сравнение геномов человека и шимпанзе для получения информации, уходящей на 5–7 млн лет назад (к моменту расхождения видов).
Это позволило оценить, насколько силён был естественный отбор в течение всего этого периода.
Результат: метод для направления будущих исследований. Учёные сгруппировали участки генома на основе:
- эпигеномных особенностей;
- того, насколько каждый участок был важен для выживания нашего вида согласно эволюционной истории.
Полученные оценки для каждой особенности были агрегированы для создания «карт последствий для приспособленности» (FitCons maps).
Логика метода:
- Если на участок генома сильно влиял естественный отбор (сохраняя его на протяжении поколений), этот участок важен для выживания.
- Если эпигеномный анализ выявляет больше таких консервативных участков, чем случайных, то такое исследование является информативным.
Сипел надеется, что исследователи смогут использовать FitCons для определения того, какие эпигенетические маркеры (или их комбинации) окажутся наиболее информативными для дальнейшего изучения.
«Это попытка увидеть, чему мы можем научиться, рассматривая эволюционную информацию вместе с тем, что мы уже знаем».