Реконструкция генома «первого животного»

Первые животные появились на Земле не менее 541 млн лет назад. Традиционно считается, что они были похожи на губок. Как и современные животные, они состояли из множества различных клеток, работа которых программировалась тысячами разных генов.

Чтобы понять происхождение этих генов, мы реконструировали минимальный геном последнего общего предка всех животных. Сравнив его с геномами других древних форм жизни, мы показали, что появление животных было связано со значительными новшествами в ДНК. Более того, некоторые из этих изменений были настолько важны, что соответствующие гены до сих пор встречаются у большинства современных животных спустя более 500 млн лет независимой эволюции. Большинство наших собственных генов унаследовано от этого «первого животного».

Метод реконструкции

Предыдущие исследования показали, что одноклеточные родственники животных (хоанофлагеллаты, филастерии, ихтиоспоридии) имеют много общих с ними генов. Это означает, что эти гены старше самих животных. Однако мы хотели выяснить, какие новые гены возникли именно при эволюции животных.

Мы использовали компьютерные программы для сравнения 1,5 млн белков (молекул, инструкции для которых содержат гены) по 62 современным геномам. Всего было проведено 2,25 триллиона сравнений, чтобы определить, какие гены являются общими для разных организмов.

Затем мы создали программу, которая, комбинируя эту информацию с эволюционными взаимосвязями животных, смогла реконструировать, какие гены присутствовали у последнего общего предка всех животных. Этот метод не даёт полного генома предка, но является мощным инструментом эволюционной биологии.

Ключевые результаты

• Геномы первых животных были удивительно похожи на современные по пропорциям биологических функций.
• Около 55% генов современного человека происходят от генов, найденных у последнего общего предка всех животных. Остальные 45% эволюционировали позже.
• Первый животный геном во многом был похож на геномы своих одноклеточных предков.
• Однако у первого животного было обнаружено исключительно большое количество новых генов — в четыре раза больше, чем у других предковых форм. Это указывает на всплеск новизны, движущий эволюцию животных.
• Мы нашли 25 групп таких новых генов, которые сохранились у большинства изученных современных животных (в пять раз больше, чем у более древних предков). Большинство из них ранее не связывали с происхождением животных.

Важное открытие о нервной системе

Эти широко распространённые сегодня новые гены контролируют функции, специфичные для многоклеточных форм жизни. Три группы этих генов вовлечены в передачу различных сигналов нервной системы.

При этом наши анализы показывают, что эти гены есть и у животных без нервной системы, таких как губки. Это означает, что генетическая основа нервной системы могла эволюционировать раньше, чем сама нервная система.

Выводы и новые вопросы

Наше исследование показывает, что в эволюции животных были важны как новые гены, так и переработка старых.

Результаты поднимают новые вопросы:

1. Были ли новые гены столь же важны для возникновения других многоклеточных форм жизни (растений, грибов)?
2. Что стояло за взрывным появлением новых генов, движущих эволюцию животных?
3. Произошло ли это быстрее, чем в других группах, или предки животных долго накапливали новые гены?

Ответы потребуют большего количества и лучшего качества данных геномов.