Улучшенные сборки геномов человекообразных обезьян дают новые данные об эволюции человека

Новые, более качественные сборки геномов человекообразных обезьян были созданы без использования человеческого референсного генома в качестве ориентира. Эта работа по снижению "очеловечивающей" систематической ошибки в геномах обезьян дает более четкое представление о генетических различиях, возникших в ходе эволюционного расхождения человека и других приматов.

В выпуске журнала Science от 8 июня исследователи сообщают об улучшенных геномах орангутана и шимпанзе, собранных "с нуля" с использованием технологии длинных чтений PacBio и дальнодистанционного картирования. Эти высококонтигуальные сборки представляют собой лучший ресурс для открытия новых генов и сравнительной геномики высокого разрешения среди человекообразных обезьян.

Проект с участием более 40 ученых из дюжины исследовательских центров возглавили Зев Н. Кроненберг и Эван Эйхлер, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. Ученые отмечают, что многие генетические различия между человеком и другими обезьянами не были распознаны при первых сравнениях их геномов.

Совместив сборку на основе длинных чтений с гибридным подходом к скаффолдингу генома, исследователи устранили большинство пробелов в геномах обезьян. Некоторые из этих пробелов содержали гены, которые теперь корректно аннотированы в новых геномах. Для лучшего понимания структуры генов авторы дополнительно секвенировали более 500 000 полноразмерных генов от каждого вида.

Новое исследование представляет наиболее полный каталог генетических вариантов, приобретенных или утраченных на разных ветвях эволюции обезьян. Некоторые из этих вариантов влияют на дифференциальную экспрессию генов у человека и обезьян.

Сравнительный анализ также включал сборку генома гориллы, новую сборку генома африканского человека и генома полного пузырного заноса человека. Все геномы были секвенированы и собраны по единому протоколу.

Кроме того, исследователи изучили органоиды мозга — упрощенные модели органов, выращенные в лаборатории из стволовых клеток человека или обезьян. Их изучали, чтобы понять, как различия в экспрессии генов в ходе развития мозга могут объяснить меньший (в три раза) объем мозга шимпанзе по сравнению с человеческим.

В органоидах было обнаружено, что определенные гены, особенно в клетках-предшественниках радиальной глии, down-регулированы у человека по сравнению с шимпанзе. Эти гены с большей вероятностью утратили сегменты ДНК именно на человеческой ветви эволюции, что важно для регуляции их экспрессии. Ученые отмечают, что это открытие согласуется с гипотезой "меньше — значит больше", предложенной Мейнардом Олсоном, согласно которой утрата функциональных элементов способствовала критическим аспектам человеческой эволюции.

С другой стороны, определенные человеческие гены, по-видимому, связаны с up-регуляцией для нейральных предшественников и возбуждающих нейронов. Эти гены с большей вероятностью приобрели дополнительные копии у человека по сравнению с другими обезьянами в процессе дупликации генов.

Исследование также помогло идентифицировать "источник PtERV1", общий для шимпанзе и гориллы. Современные шимпанзе и гориллы несут сотни ретровирусных вставок PtERV1, которые, по-видимому, произошли от этого источника, так и не попавшего в геном человека.

Сравнение сборок генома гориллы и человека выявило новую инверсию последовательности у гориллы рядом с важным геном, контролирующим морфологию пенисных шипиков (кожных бугорков), которые отсутствуют у человека.

У человека также произошла делеция некоторых генов, участвующих в синтезе жирных кислот. Некоторые генетические изменения, связанные с пищевым метаболизмом, могут играть роль в эволюции видов обезьян, чей рацион варьируется от строго вегетарианского до почти всеядного.

Ученые прогнозируют, что более совершенные технологии секвенирования и картирования помогут увеличить знания об эволюционном пути человекообразных обезьян и наших предков. Они отмечают, что работа над геномами обезьян еще не завершена, так как в сборках по-прежнему отсутствуют более крупные и сложные структурные варианты.

"Наша цель, — сказал Эйхлер, — создать несколько геномов обезьян такого же высокого качества, как человеческий геном. Только тогда мы сможем по-настоящему понять генетические различия, которые делают нас уникально человеческими".