Как африканская когтистая лягушка получила лишнюю пару генов

Предок африканской когтистой лягушки (Xenopus laevis) унаследовал по одному набору хромосом от двух разных видов, а затем удвоил весь свой геном примерно 18 миллионов лет назад. К такому выводу пришел международный консорциум ученых из Японии и США, впервые секвенировавший полный геном X. laevis. Ученые надеются, что это открытие поможет понять эволюцию позвоночных, так как 500 миллионов лет назад геном позвоночных удваивался дважды.

X. laevis — необычный тетраплоидный вид с четырьмя наборами хромосом, в то время как многие организмы, включая человека, диплоидны и имеют два набора. Происхождение этой тетраплоидии долгое время было предметом дискуссий.

Согласно одной из гипотез, тетраплоидная X. laevis унаследовала половину генетического материала от каждого родителя при скрещивании двух диплоидных видов-предков. Затем геном этого диплоидного потомка удвоился, что привело к появлению тетраплоидного организма с вдвое большим числом хромосом.

"X. laevis — ключевой организм для биологических и биомедицинских исследований, но огромный размер и сложность его генома долго мешали полностью его секвенировать", — говорит доцент Масанори Тайра из Токийского университета, руководитель японской группы. Он добавляет: "Мы полагали, что полное секвенирование будет ценно не только для исследований, но и даст ключи к пониманию происхождения тетраплоидии".

Исследователи секвенировали геном инбредного штамма J (Япония), у которого генетические коды, унаследованные от матери и отца, идентичны.

Американская группа под руководством Дэна Рокхсара и Ричарда Харланда из Калифорнийского университета в Беркли использовала метод дробовика для секвенирования коротких фрагментов ДНК и их сборки. Японская команда секвенировала очень длинные фрагменты ДНК и определила их расположение на хромосомах. Этот дополнительный шаг помог различить отдельные последовательности генома, унаследованные от каждого вида-предка.

"Я предположил, что анализ 'мобильных генетических элементов' (участков ДНК, перемещающихся по геному), которые со временем фиксируются или инактивируются, может помочь проследить два предковых генома, присутствующих в X. laevis в виде субгеномов", — объясняет Тайра.

Он предложил эту идею своим соавторам, доктору Акире Хикосака из Хиросимского университета и доктору Ёсинобу Уно из Университета Нагои. Они проверили гипотезу и обнаружили, что два набора хромосом действительно происходят от разных диплоидных предков.

Любопытно, что ученые также обнаружили, что субгеномы эволюционировали в ядре отдельно, образовав короткий (S) и длинный (L) типы. Это первые свидетельства эволюции субгеномов у животных. Хромосомы L-типа сохранили большую часть предковой генетической информации, в то время как S-тип показал большую потерю генов, делеции и перестройки.

"Ученые полагают, что два раунда дупликации всего генома 500 миллионов лет назад способствовали появлению первых позвоночных и взрывному росту их разнообразия. Мы считаем, что наше открытие улучшит понимание этого важного события в нашей эволюционной истории", — заключает Тайра.