Расшифрован геном лошади возрастом 700 000 лет

Ученые из Центра ГеоГенетики Музея естественной истории Дании (Копенгагенский университет) установили мировой рекорд в исследовании ДНК. Они секвенировали древнейший на сегодняшний день геном доисторического существа. Это удалось сделать путем секвенирования и анализа коротких фрагментов молекул ДНК, сохранившихся в остатках кости лошади, которая пролежала в вечной мерзлоте Юкона (Канада) последние 700 000 лет. Отследив геномные изменения, превратившие доисторических диких лошадей в домашние породы, исследователи с беспрецедентной детализацией раскрыли генетическую структуру современных лошадей. Результаты опубликованы в международном научном журнале Nature.

Молекулы ДНК могут сохраняться в окаменелостях после смерти организма. Не в виде целых хромосом, а как короткие фрагменты, которые можно собрать обратно, как пазл. Иногда сохраняется достаточно молекул, чтобы восстановить полную геномную последовательность вымерших видов. За последние годы была охарактеризована полная последовательность генома нескольких древних людей и архаичных гоминин. Но до сих пор ни одна из них не датировалась периодом ранее 70 000 лет.

Теперь доктор Людовик Орландо и профессор Эске Виллерслев из Центра ГеоГенетики побили этот рекорд примерно в 10 раз. Благодаря этому два исследователя — в сотрудничестве с датскими и международными коллегами — смогли отследить основные геномные изменения за последние 700 000 лет эволюции лошадиной линии.

Калибровка "молекулярных часов"

Сравнив геном 700 000-летней лошади с геномами 43 000-летней лошади, шести современных лошадей и осла, исследователи смогли оценить скорость накопления мутаций во времени и откалибровать скорость мутаций по всему геному. Это показало, что последний общий предок всех современных лошадиных жил около 4.0–4.5 миллионов лет назад. Таким образом, эволюционная радиация, лежащая в основе происхождения лошадей, ослов и зебр, уходит в прошлое вдвое дальше, чем считалось ранее. Кроме того, эти новые "часы" выявили несколько эпизодов резких демографических колебаний в истории лошадей, совпадающих с крупными климатическими изменениями, такими как последний ледниковый максимум около 20 000 лет назад.

Происхождение лошади Пржевальского

Результаты также поставили точку в долгих спорах о так называемой лошади Пржевальского из монгольских степей. Эта популяция была открыта западным миром во второй половине XIX века и быстро оказалась под угрозой. К 1970-м годам она почти вымерла в дикой природе, но сохранилась до наших дней благодаря масштабным усилиям по сохранению. Эволюционное происхождение этой лошади, которая демонстрирует разительные физические отличия от домашних лошадей, а также имеет дополнительную пару хромосом, оставалось загадкой.

Исследователи теперь выяснили, что популяция лошади Пржевальского обособилась от линии, ведущей к современным домашним лошадям, около 50 000 лет назад. Поскольку ученые обнаружили сходный уровень генетического разнообразия в геноме лошади Пржевальского и в геномах нескольких домашних пород, это говорит о том, что лошади Пржевальского, вероятно, генетически жизнеспособны и поэтому заслуживают усилий по сохранению.

Методические вызовы и прорыв

Геологический контекст и данные датировки были очень надежными и основывались на примерно десяти годах полевых работ. Кроме того, известно, что холодные условия, такие как в арктической вечной мерзлоте, благоприятны для сохранения ДНК. Но даже так:

"Секвенирование первого генома из среднего плейстоцена было отнюдь не простой задачей", — говорит доктор Людовик Орландо.

Исследователи сначала воодушевились, обнаружив сигнатуру тех аминокислот, которые наиболее обильны в коллагене, что могло указывать на сохранение белков in situ. Их энтузиазм возрос, когда им удалось напрямую секвенировать пептиды коллагена. Обнаружение белков крови, которые почти не сохраняются, сделало перспективы еще более многообещающими. На этом этапе вполне могло оказаться, что древняя ДНК также сохранилась.

И действительно, ДНК присутствовала. В крошечных количествах, поскольку подавляющее большинство полученных последовательностей происходило от микроорганизмов окружающей среды, живших в кости. Но с помощью технологии Helicos true Single DNA Molecule Sequencing исследователям удалось идентифицировать ниши молекулярной сохранности в кости и подобрать экспериментальные условия, позволившие завершить полное секвенирование генома.

"Это было методически сложно, но явно некоторые параметры работали лучше других, — говорит профессор Эске Виллерслев. — Но секвенирование было лишь половиной пути".

Профессор Виллерслев продолжает: "Из-за 700 000 лет эволюции и повреждений, ДНК-последовательность не могла не претерпеть изменений. Нам пришлось улучшить нашу способность идентифицировать модифицированные и дивергентные последовательности древней лошади, выравнивая их с геномом современных лошадей".

Это была серьезная вычислительная задача, особенно когда уровень модификации ДНК превосходил таковой у любой другой арктической лошади из позднего плейстоцена. Доктор Орландо поясняет: "Уровни модификации оснований были чрезвычайно высоки, в некоторых регионах настолько, что каждый цитозин был фактически поврежден. Это, а также филогенетическое положение древней лошади за пределами разнообразия любой когда-либо секвенированной лошади, предоставили четкие доказательства подлинности данных".

Профессор Виллерслев добавляет: "Результаты исследований и примененные техники открывают новые двери для изучения доисторических живых существ. Теперь с помощью геномики и протеомики мы можем заглянуть в десять раз дальше в прошлое по сравнению с прежними возможностями. И новое знание об эволюционной истории лошади, которая считается классическим примером в эволюционной биологии и преподается в школах и университетах, было дополнено".