Динамика геномов: новое исследование раскрывает скрытую эволюцию ДНК птиц и млекопитающих

Эволюция генома — это не только постепенная перестройка, но и масштабная "перепланировка". За последние 100 миллионов лет человеческая линия потеряла одну пятую своей ДНК, в то время как было добавлено ещё большее количество. Это показали учёные из Медицинской школы Университета Юты. До сих пор степень расширения и сокращения нашего генома недооценивалась, так как его общий размер оставался относительно постоянным в эволюционном масштабе времени.

Люди — не единственные обладатели "эластичных" геномов. Анализ множества животных, от колибри до летучих мышей и слонов, показывает, что большинство геномов позвоночных обладают такими же "аккордеоноподобными" свойствами.

"Я этого совсем не ожидал. Динамическая природа этих геномов оставалась скрытой из-за замечательного баланса между приобретением и потерей", — говорит старший автор исследования, профессор генетики человека Седрик Фешотт.

Это первое исследование, сравнивающее разнообразный набор теплокровных позвоночных: 10 млекопитающих и 24 птицы. Работа опубликована в Proceedings of the National Academies of Sciences (PNAS) на неделе 6 февраля.

"Похудение" для полёта

Для большинства позвоночных неочевидно, почему делеции (удаления) и добавления ДНК обычно идут рука об руку. Однако для летающих животных может быть ключ.

Исследование началось с парадокса: геномы летучих мышей были заполнены небольшими фрагментами ДНК — транспозонами, которые размножились в их генетическом материале. В частности, эта амплификация транспозонов расширила геном вида микронетопырь на 460 мегабаз — больше, чем геном рыбы-фугу. Однако общий размер генома летучей мыши оставался относительно небольшим по сравнению с другими млекопитающими. Это означало, что пока транспозоны добавляли новую ДНК, старая ДНК каким-то образом удалялась.

"Эти данные поставили вопрос: куда делась старая ДНК?" — говорит Фешотт.

Чтобы проверить гипотезу, команда разработала методы для экстраполяции количества ДНК, потерянной за тысячелетия, сравнивая размеры геномов современных животных с размерами геномов их общих предков.

Как и предполагалось, микронетопырь потерял за время эволюции в три раза больше ДНК, чем приобрёл с момента расхождения с предковым млекопитающим. Его родственник, мегалетучая мышь, "похудел" ещё больше, потеряв в восемь раз больше ДНК, чем приобрёл.

Это стало первым свидетельством того, что геномы млекопитающих более динамичны, чем считалось ранее. Данные также хорошо согласуются с идеей, что летающие животные имеют меньшие геномы. Одна из причин может заключаться в том, что метаболическая стоимость машущего полёта накладывает ограничение на размер генома.

Расширение исследования до птиц (дятел, цапля, колибри и др.) показало, что динамика генома двух видов летучих мышей больше похожа на динамику птиц, чем на наземных млекопитающих. В то время как большинство млекопитающих стремились к равновесию между количеством приобретённой и потерянной ДНК, летучие мыши были склонны терять ДНК.

Биологические факторы, лежащие в основе различий в динамике генома, скорее всего, сложны и требуют дальнейшего изучения. Но гипотеза о том, что "оптимизация" содержания генома могла позволить летающим животным подняться в воздух, является интригующей.

"Если вы смотрите на небольшие части генома или только на одну точку времени, вы не видите, как изменился весь геномный ландшафт. Вы можете увидеть гораздо больше, когда отступите назад и посмотрите на более полную картину", — говорит ведущий автор исследования, научный сотрудник Орели Капуста.

Исследование поддержано Национальными институтами здравоохранения (NIH) и будет опубликовано под названием "Dynamics of genome size evolution in birds and mammals" в PNAS 6 февраля 2017 года.