Геномные и вычислительные инструменты открывают окно в далёкое прошлое

Между геномами любых двух людей существует разница примерно в 100 генов из более чем 23 000 — эти гены либо присутствуют, либо отсутствуют. Потеря или приобретение генов со временем — результат эволюции и адаптации.

Наличие геномных последовательностей позволяет учёным изучать наличие или отсутствие целых генов у разных людей и видов, а также влияние таких изменений на эволюцию.

Например, у некоторых людей острее обоняние, потому что у них больше копий генов обонятельных рецепторов. У других, особенно в обществах с крахмалистой диетой, больше копий гена амилазы — фермента слюны, расщепляющего крахмал.

"Произошло много изменений, и мы хотим знать, какие из них могли быть вовлечены в адаптацию человека", — говорит Мэтью Хан, доцент биологии и информатики в Университете Индианы.

Сравнивая целые геномы, можно выявить крупные и частые изменения в размерах генных семейств и сделать выводы о роли естественного отбора в приобретении и потере генов.

Используя компьютерные модели и доступные геномные данные, Хан изучает различия в генах людей и других видов, чтобы понять хронологию генетических изменений и адаптаций в нашей истории. Разрабатывая вычислительные и статистические инструменты для анализа целых геномов, его команда изучает эволюцию регуляции генов, генных семейств, историю человеческого генома и эволюцию фенотипически важных генов.

"Мы не можем вернуться в прошлое, но можем использовать нынешние виды, чтобы получить хорошее представление о том, как выглядели предки, и понять, какие изменения произошли и в каком порядке", — говорит он.

Учёные исследуют все гены в геноме, фокусируясь на различиях между видами, например, между людьми, шимпанзе и другими приматами.

"Между людьми и шимпанзе разница в 6% в наборе генов. После 6 миллионов лет раздельной эволюции у нас не тот же самый набор генов, что у шимпанзе. Как и когда возникли эти различия?"

Исследование Хана поддержано грантом NSF CAREER (около $1 млн за 5 лет), полученным в 2009 году.

Эта работа может иметь широкое применение в диагностике и лечении заболеваний, поскольку многие болезни возникают из-за генетических мутаций, включая дупликацию или потерю важных генов.

"Есть большой интерес в попытках связать эти изменения с человеческими болезнями", — говорит Хан. "Многие гены, различающиеся по числу копий, участвуют в нашем иммунном ответе и являются очевидными кандидатами на роль генетических изменений, лежащих в основе разной восприимчивости к болезням. Понимая нормальную вариацию в числе копий генов, мы надеемся лучше распознавать изменения, которые могут быть вредны для здоровья".

Исследователи часто начинают с изучения различий в количестве копий разных генов у отдельных людей.

Проект "1000 геномов" позволил изучить полный генетический набор генов в самых разных человеческих популяциях со всех обитаемых континентов. Мы находим различия как внутри популяций, так и между ними, в основном повторяя известные родственные связи между людьми.

"Но мы также находим популяционно-специфичные изменения в генах, которые позволили нам адаптироваться к окружающей среде. Эти изменения включали как адаптивное приобретение, так и адаптивную потерю генов и связаны с важными фенотипическими различиями между людьми".

Чтобы понять различия, общие для всех людей и отличающие нас от предков, учёные сравнивают полный набор генов с таковым у других приматов: шимпанзе, орангутанов, макак, мармозеток.

"Эти сравнения позволяют нам строить убедительные предположения о том, как выглядел общий геном нашего предка и, следовательно, о изменениях, произошедших на человеческой линии".

Такие генетические изменения, вероятно, были вовлечены в специфически человеческие адаптации, например, увеличение размера черепа.

"Наличие этих геномных и вычислительных инструментов даёт нам окно в далёкое прошлое, которого у нас иначе бы не было", — заключает Хан.