Второй уровень геномной информации обнаружен с помощью классических филогенетических методов

Генетическая информация хранится в ДНК в виде последовательности специфических пар оснований и в основном неизменной передаётся из поколения в поколение. Однако клетки крови, нервов, кожи или зубов сильно различаются по форме и функции, несмотря на одинаковый генетический материал (геном). Ответ кроется в эпигенетике — химических изменениях в геноме, которые влияют на доступ клетки к её генетическому материалу, определяя активность генов. Ключевые эпигенетические изменения — это метилирование ДНК и модификация связанных с геномом белков (гистонов). В отличие от стабильного генома, эпигеном может быстро адаптироваться к изменениям (например, факторам окружающей среды).

Несмотря на растущий интерес, мало известно о том, как эпигенетические изменения происходят во времени, и не хватает системных стратегий исследования. В сотрудничестве с генетиком проф. Стивом Хорватом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе исследователи из Института исследований старения Лейбница — Института Фрица Липмана (FLI) в Йене показали, что классические филогенетические методы можно систематически применять и к эпигенетическим данным.

Филогенетические деревья на основе эпигенетических данных

В биологии филогенетические деревья более 50 лет реконструируют на основе последовательностей для описания эволюционных событий и родственных связей. Учёные задались вопросом, позволяет ли информация, содержащаяся в эпигенетических данных, проводить осмысленный эволюционный анализ, и достаточно ли хорошо эти сигналы сохраняются на больших эволюционных расстояниях.

Для анализа использовали набор данных образцов крови человекообразных обезьян — наших ближайших родственников (шимпанзе, гориллы, орангутаны), чьи геномы лишь незначительно отличаются от человеческого. Исследователи показали, что реконструкция филогенетических деревьев на основе данных о метилировании ДНК работает очень хорошо. Более того, родственные связи человекообразных обезьян можно реконструировать по эпигеномным данным даже надёжнее, чем по геномным. Это стало неожиданностью, поскольку метилирование подвержено влиянию факторов среды или болезней.

Метилирование ДНК сильно консервативно

Исследователи FLI также показали, что метилирование ДНК очень слабо различается среди изученных видов человекообразных обезьян. Участки генома с высоким уровнем метилирования у человека, как правило, также изменены у обезьян, и наоборот. Эти эпигеномные паттерны оставались в значительной степени неизменными в течение миллионов лет эволюции, то есть сильно консервативны. Разрешение консервации настолько высоко, что два эквивалентных блока ДНК разных видов обезьян в среднем более схожи по метилированию, чем два непосредственно соседних блока ДНК одного и того же вида.

Взгляд на тканеспецифическую филогенетическую информацию

В отличие от почти идентичного во всех клетках организма генома, эпигеном может отражать тканеспецифическую филогенетическую информацию. Сравнения между разными видами дают возможность понять эволюцию тканей, а не только целого организма. Включение других эпигенетических данных, таких как модификации гистонов, может помочь лучше понять такие процессы в будущем.

Потенциал для глубокого понимания эволюционных различий и сходств

Применение и дальнейшее совершенствование разработанных методов обещает новые insights в механизмы эпигенетической регуляции генов и возникновение новых фенотипов. Методы могут помочь идентифицировать те части генома, которые, вероятно, играют важную роль в регуляции генов, поскольку мало изменились за миллионы лет. И наоборот, можно выявить участки эпигенома, которые особенно быстро менялись у определённых видов в ходе эволюции, чтобы изучить, как эти эпигенетические изменения влияют на возникновение фенотипов.