Почему ученые и эксперты по политике составляют карты геномов всех животных, растений и грибов в США
Расшифровка генома — основы жизни на Земле — открывает путь для множества научных исследований. С такими «дорожными картами» ученые могут проследить эволюционные корни человеческого языка, лучше понять интеллект животных или даже попытаться вернуть шерстистых мамонтов из небытия.
Однако большинство ранее доступных геномов содержат ошибки и пробелы, часто заводящие науку в тупик. На смену им приходит Проект геномов позвоночных (Vertebrate Genomes Project, VGP) — амбициозная инициатива по созданию почти идеальных геномов для каждого из примерно 70 000 видов позвоночных на планете. Эрих Д. Джарвис, глава Лаборатории нейрогенетики языка в Рокфеллеровском университете и председатель VGP, видит будущее, в котором такие базы данных откроют путь к прорывам в охране природы, эволюционной биологии и фундаментальной науке.
Эта инициатива вдохновила на еще более грандиозный проект: секвенирование высококачественных геномов для всех 1,8 миллиона эукариотических видов на Земле, известного как Проект «Биогеном Земли» (Earth BioGenome Project, EBP).
После успешного пилотного проекта, сфокусированного на нескольких сотнях видов, представляющих отряды позвоночных, Джарвис, председатель EBP Харрис Левин и другие ученые разрабатывают план по секвенированию геномов каждого эукариотического вида на территории США.
Логистика амбициозного проекта и европейский опыт
Эрих Джарвис (ЭД): Существует острая необходимость в высококачественных сборках геномов видов по всему миру. С научной точки зрения, лучше начинать с видов, представляющих части родословного древа, независимо от их происхождения. Группировка позвоночных по странам условна — у видов нет национальных границ. Но у многих регулирующих и финансирующих органов они есть.
Получение разрешений и навигация по бюрократии между странами — это вызов. Благодаря структуре Европейского союза, мы смогли помочь запустить пилотный проект на 100 видов, используя уроки VGP, без увязания в межгосударственной волоките. Они получили 20 миллионов евро.
Для VGP мы уже отсеквенировали более 500 видов; EBP преодолел отметку в 3000 видов (включая 500 позвоночных). Для США мы предлагаем начать с 15 000 видов.
Джулио Форменти (ДФ): Европейский пилот стартовал во время COVID и появился благодаря Европейскому зеленому курсу. Сохранение природных ресурсов, включая биологические и экосистемные, было для ЕС ключевым приоритетом. Мы предложили создавать референсные геномы для изучения организмов по всей Европе, чтобы продемонстрировать полезность геномов без ошибок.
Мотивация: охрана природы и «воскрешение» видов
ЭД: Одним из первых исчезающих видов, который мы отсеквенировали с высоким качеством, был какапо (совиный попугай). Работая с Николасом Дюссексом и Лёвом Даленом из Центра палеогенетики, мы обнаружили, что островная популяция какапо пережила большее количество инбридинга, чем обычно выдерживает небольшая популяция. Наше секвенирование показало, что у них выработался механизм очистки от вредных мутаций, вызывающих болезни.
Мы с тех пор секвенировали и другие исчезающие виды и выяснили, что какапо — не исключение. Понимание принципов, позволяющих малым популяциям очищаться от проблемных мутаций, крайне важно. Такая информация может определять стратегии охраны, выявляя виды, генетически устойчивые к инбридингу, и те, которым требуется вмешательство.
ДФ: Мы также работаем с организациями, занимающимися «воскрешением» видов. Например, мы предоставили высококачественные геномы для Revive & Restore и Colossal — групп, заинтересованных в возвращении странствующего голубя, шерстистых мамонтов и других видов, вымерших в прошлом веке. Эти геномы и инструменты также имеют значение для сохранения оставшегося биоразнообразия.
Научные вопросы: от языка до интеллекта и эволюции
ЭД: Начну с моих собственных исследовательских интересов. Мы позаботились о том, чтобы на начальных этапах VGP секвенировать представителей всех линий вокальных обучающихся животных и их ближайших родственников. Вскоре мы сможем использовать эти высококачественные геномы, чтобы понять генетические изменения, которые привели к возникновению разговорного языка.
Мы также будем использовать геномы для изучения генов, экспрессируемых в разных нейронах у позвоночных. Это может окончательно разрешить давний вопрос о том, есть ли у птиц и рептилий нейроны, гомологичные найденным в неокортексе млекопитающих. Многие исследователи полагают, что только млекопитающие имеют неокортекс, но возможно, другие животные используют схожие типы клеток для тех же целей. Ответ на этот вопрос даст новое понимание эволюции животного интеллекта.
Наконец, мы будем использовать более качественные сборки для обновления родословного древа позвоночных и даже родословного древа генов. Последствия огромны.
Почему отдельный проект для США?
ДФ: Виды на территории США вымирают каждый день. Запуск этого проекта в США — это не просто попытка догнать Европу, это национальный приоритет, который поможет сохранить природные ресурсы страны.
ЭД: Помимо огромной пользы для науки, наше предложение позволит финансировать не просто отдельное исследование, а построить целую инфраструктуру для высококачественного секвенирования геномов прямо в США. Это невероятно перспективно и станет преобразующим для области. Создание централизованной инфраструктуры позволит стандартизировать методы, гарантировать сборки без ошибок и резко увеличить темпы открытий.
Текущий статус инициативы в США
ЭД: В случае получения необходимого финансирования мы работаем над преобразованием нашей Лаборатории геномов позвоночных в Рокфеллеровском университете в Национальный Референсный Центр Генома. Он станет ключевым объектом для всего консорциума США.
Планируемый консорциум включает:
- Рокфеллеровский университет (под руководством Джарвиса, Форменти и Дженнифер Балаку)
- Университет штата Аризона (под руководством Кристал Цоси и Харриса Левина)
- Университет Канзаса (под руководством Нико Франца)
- Музеи США и многих экспертов в области геномики и видового разнообразия.
Чтобы создать высококачественные референсные геномы для всех эукариотических видов на территории США, потенциально потребуется секвенировать до 600 000 видов. Для сравнения: Проект геномов позвоночных секвенировал более 500 видов за шесть лет.
Мы подали заявку на финансирование от NSF для разработки протоколов масштабирования и покрытия стоимости секвенирования. Мы потенциально сможем секвенировать до 1000 геномов в неделю. Это позволит ученым секвенировать 1,8 миллиона эукариотических видов в течение 10 лет.
Вызовы и движение вперед
ДФ: Сбор сотен тысяч высококачественных образцов из природы, их сохранение и последующее секвенирование — сложная задача из-за огромного разнообразия. Секвенирование жука — не то же самое, что секвенирование млекопитающего: извлечь достаточно ДНК из мелкого организма может быть очень трудно. Эксперименты часто терпят неудачу из-за качества ДНК, загрязнения или контаминации — и тогда приходится начинать заново.
Кроме того, проект требует крупномасштабного сотрудничества между институтами, музеями и полевыми исследователями. Иногда это кажется почти невозможным. Но я вспоминаю Проект «Геном человека», который показал: как только вы создаете стандартизированный, высокопроизводительный конвейер, то, что казалось непреодолимым, становится рутиной.
ЭД: Мы двигаемся вперед благодаря низовым инициативам. Любой, у кого есть финансирование и кто согласен с политикой нашего консорциума, может заказать у нас высококачественные геномы при условии, что результаты будут публично доступны для науки. Например, если кто-то запросит 100 геномов бабочек, но не захочет высококачественных сборок или включения в EBP, мы не возьмемся за проект.
Создание почти полных, безошибочных геномов требует специальных методов — это искусство. С помощью этого и других подходов мы уже достигли 80% завершения начальной фазы VGP: 230 видов, представляющих большинство отрядов позвоночных и некоторых беспозвоночных.