Обрезка Древа Жизни

Учёные используют возможности геномики, чтобы распутать и правильно расположить ветви Древа Жизни — филогенетического дерева, изображающего эволюционные связи между всеми видами на Земле.

Антонис Рокас, доцент биологических наук, получил престижную награду CAREER от Национального научного фонда (NSF). Он получит $688 000 на пять лет для разработки новых статистических методов, которые позволят точнее определять родственные связи между различными видами.

"Во многих случаях мы пытаемся разрешить события, произошедшие миллиарды лет назад. За прошедшее время ДНК видов не оставалась инертной: на неё воздействовали мощные силы, такие как естественный отбор и генетический дрейф. Поразительно, сколько информации можно получить, сравнивая виды, но это не волшебная пуля", — говорит Рокас.

Новые возможности и сложности

• Данные: 15 лет назад учёные не знали полного генома ни одного вида. Сегодня секвенированы геномы почти 4000 видов, включая 400–600 эукариот (животных, растений, грибов). Объём генетической информации растёт экспоненциально.
• Проблемы: Установить родство, просто сравнивая ДНК, сложно. Гены мутируют с разной скоростью: одни слишком быстро, другие (высококонсервативные) — слишком медленно. На состав ДНК (нуклеотидные основания A, G, C, T) влияет образ жизни организма (например, у термофилов больше A). Функция генов (например, факторы транскрипции vs. гены "домашнего хозяйства") также может влиять на их полезность для сравнения.

Исследование на дрожжах

Рокас будет изучать эти факторы, анализируя родственные связи более двух десятков из 85 известных видов дрожжей. Геном дрожжей компактен (в 10 раз меньше, чем у дрозофилы, и в 100 раз меньше, чем у человека), а функции их генов изучены наиболее полно.

"Каждый ген был удалён по одному, и последствия записаны", — отмечает Рокас.

Цель — выявить гены, которые являются хорошими или плохими предсказателями филогении, и найти общие принципы, применимые к другим группам, включая млекопитающих.

Загадки недавнего прошлого

Неоднозначность в эволюционных связях существует даже среди недавно разделившихся видов. Классический пример — отношения между даманом, ламантином и слоном, произошедшими от общего предка. Разные гены указывают на разное родство между этими тремя видами.

"Эта проблема возникает, когда события видообразования происходят слишком быстро", — объясняет Рокас. Если предковая популяция была полиморфной (имела несколько версий некоторых генов), то один вид-потомок может унаследовать одну версию гена, а другой — иную.

Решение: редкие геномные изменения (RGC)

По мнению Рокаса, лучший способ распутать древо млекопитающих — подход, основанный на редких геномных изменениях (RGC). Это вставки или делеции большого числа нуклеотидных оснований за один раз. Если такое изменение произошло у предка незадолго до видообразования, его наличие или отсутствие у близкородственных видов помогает определить родительские и дочерние виды.

"Они предлагают независимый способ взглянуть на молекулярные данные, вероятность случайного совпадения для которого мала. Каков шанс увидеть делецию в 10 пар оснований в точно том же месте генома? Шансы ничтожны, и нас меньше вероятности ввести в заблуждение случайными событиями", — говорит учёный.

Образовательная миссия

Осознавая, что филогенетические деревья часто неверно интерпретируются, Рокас часть гранта направит на обучение школьников и учителей основам филогенетики, а также разработает университетский курс, интегрирующий результаты исследований в учебную программу.

Предоставлено Университетом Вандербильта.