Геномы колюшки проливают свет на эволюцию
Исследование 20 миллиардов фрагментов ДНК у 100 небольших рыб позволило биологам лучше понять механизмы эволюции. Комбинируя новые технологии, учёные выявили множество геномных регионов, которые позволили морской рыбе адаптироваться к пресной воде в нескольких независимо эволюционировавших популяциях.
Исследование, финансируемое Национальным научным фондом (NSF) и Национальными институтами здравоохранения (NIH), включало трёхиглых колюшек из трёх изолированных пресноводных озёр Аляски и двух морских популяций. Работа опубликована 26 февраля в открытом онлайн-журнале PLoS Genetics.
Команда из шести человек из двух лабораторий Университета Орегона (UO) совместила массовое параллельное секвенирование Illumina со специально разработанной технологией. Они сравнили геномы 20 рыб из каждого из озёр Аляски — Bear Paw, Boot и Mud, а также 20 рыб из солёноводных популяций Rabbit Slough и Resurrection Bay.
Все участки расположены вдоль южно-центрального побережья Аляски. Исследователи обнаружили, что все рыбы были тесно связаны в большей части своих геномов, но имели различия в очень специфичных регионах. Каждая рыба содержит 500 миллионов пар оснований ДНК. Учёные были удивлены, обнаружив, что в независимо возникших популяциях идентифицируются очень похожие регионы. Это указывает, что одни и те же гены могут эволюционировать при повторной адаптации колюшки в разных озёрах. Сейчас усилия сосредоточены на понимании того, какие именно гены вовлечены в такую адаптацию.
По словам профессора биологии Уильяма А. Креско, применённый в исследовании подход может быть использован для других организмов. Например, было бы интересно получить аналогичные результаты, изучая морского нерки и его пресноводного собрата — кокани. Эти находки уже стимулируют исследования различных организмов по всему миру.
Колюшки — это маленькая серебристая рыба длиной около двух дюймов (5 см), обитающая по всему Северному полушарию как в океанах, так и в пресной воде.
Пресноводные популяции колюшек возникают, когда открываются новые места обитания и происходит их заселение. На Аляске много озёр, которым всего около 10 000 лет, они образовались после отступления ледников. Попадая в пресную воду, рыбы не вымирали, а очень быстро эволюционировали, меняя кости и костные пластины, форму челюстей, окраску и поведение. Когда одна популяция перестаёт узнавать и спариваться с другой, они, по сути, становятся новым видом. Некоторые из идентифицированных регионов могут быть важны и для видообразования.
Долгое время колюшки были объектом изучения для этологов из-за сложных брачных ритуалов. Лишь недавно они стали объектом генетических и геномных исследований, и UO находится на переднем крае этих работ. Ранее усилия были сосредоточены на малом числе признаков и отслеживании лишь нескольких генов. В 2006 году Креско обозначил вызовы таких исследований, указав на необходимость более быстрых и дешёвых инструментов анализа ДНК для сканирования целых геномов.
В течение следующих трёх лет Креско и Эрик Джонсон из Института молекулярной биологии UO разработали технику под названием Restriction-site Associated DNA (RAD). Её разработка помогла создать компанию Floragenex, выделившуюся из UO. Впоследствии эту технику совместили с технологией секвенирования нового поколения (Next Generation Sequencing) с использованием анализатора генома Illumina GA2.
Комбинируя две технологии, учёные создали RAD-метки (restricted-site associated DNA). Это позволяет быстро сканировать целые геномы, находить регионы, изменённые в результате естественного отбора, и сравнивать их между независимо эволюционировавшими популяциями.
Предыдущие исследования с использованием RAD-маркеров фокусировались на различиях между образцами, выращенными в лаборатории. Однако многие интересные биологические вопросы нельзя изучить в лаборатории, а многие виды животных невозможно там разводить. Лаборатория Креско показала, что RAD-маркеры могут обнаруживать различия между природными популяциями, и разработала новые аналитические инструменты для понимания данных. RAD-маркеры хорошо подходят для этого, так как они сканируют геном с высокой плотностью и предоставляют данные последовательности ДНК с низкой частотой ошибок.
После подготовки технологии команде Креско потребовалось около шести месяцев для проведения анализа ДНК. Сейчас, когда техника отработана, аналогичные эксперименты можно провести за несколько недель.
В рамках нового проекта, финансируемого NSF по закону о восстановлении и реинвестировании американской экономики (ARRA), Креско и Фрэнк фон Хиппель из Университета Аляски изучают другую группу популяций колюшек. Они работают с озёрами, образовавшимися после землетрясения на Аляске в 1964 году, когда несколько прибрежных островов поднялись на 10 метров (32,8 фута) за четыре минуты. Учёные надеются изучить этих рыб в процессе их буквальной эволюции из океанической популяции в пресноводную.