Новый инструмент для выравнивания геномов открывает возможности для масштабных исследований эволюции позвоночных

Три статьи, опубликованные 11 ноября в журнале Nature, представляют крупные достижения в понимании эволюции птиц и млекопитающих, ставшие возможными благодаря новым методам сравнения геномов сотен видов.

Сравнительная геномика использует геномные данные для изучения эволюционных связей между видами и выявления последовательностей ДНК с важными функциями, сохранившимися у многих видов. Этот подход требует выравнивания последовательностей геномов, чтобы можно было сравнивать соответствующие позиции в разных геномах, но эта задача усложняется с ростом числа геномов.

Исследователи из Genomics Institute Калифорнийского университета в Санта-Крузе разработали новый мощный метод выравнивания геномов, который позволил провести новые исследования, включая крупнейшее в истории выравнивание более 600 геномов позвоночных. Результаты дают детальное представление о генетическом родстве видов.

«Мы буквально выстраиваем последовательности ДНК, чтобы увидеть соответствующие позиции в каждом геноме. Это позволяет рассматривать отдельные элементы генома и в деталях наблюдать, что изменилось, а что осталось неизменным в ходе эволюции», — пояснил Бенедикт Патен, соавтор двух новых статей.

Выявление консервативных последовательностей ДНК, остающихся неизменными на протяжении миллионов лет эволюции, позволяет ученым точно находить элементы генома, контролирующие важные функции у широкого круга видов. «Это указывает, что там есть что-то важное — оно не изменилось, потому что не могло. Теперь мы можем видеть это с более высоким разрешением, чем когда-либо», — отметил Патен.

Предыдущее поколение инструментов для выравнивания полагалось на сравнение с одним референсным геномом, что приводило к проблеме «смещения в сторону референса» (reference bias). Патен и соавтор Гленн Хики ранее разработали программу Cactus, не зависящую от референса, но работавшую лишь в малых масштабах. Затем аспирант UCSC Джоэл Армстронг (ныне в Google) расширил её, создав новую мощную программу Progressive Cactus, способную работать с сотнями и даже тысячами геномов.

«Большинство предыдущих методов выравнивания было ограничено смещением в сторону референса. Если референсом был человек, они могли многое рассказать о связи генома человека с геномом мыши и о связи генома человека с геномом собаки, но почти ничего — о связи геномов мыши и собаки. Наш метод Progressive Cactus позволяет избежать этого ограничения, оставаясь при этом достаточно эффективным и точным для работы с масштабами современных проектов по секвенированию», — объяснил Армстронг.

Армстронг — ведущий автор всех трёх статей и первый автор статьи, описывающей Progressive Cactus и представляющей результаты выравнивания 605 геномов, представляющих сотни миллионов лет эволюции позвоночных. Это беспрецедентное выравнивание объединяет два меньших: 242 генома плацентарных млекопитающих и 363 генома птиц. Две другие статьи отдельно фокусируются на выравниваниях геномов млекопитающих и птиц.

Это международное сотрудничество координировалось организационной группой под руководством соавторов: Гоцзе Чжана (Университет Копенгагена и China National GeneBank), Элинор Карлссон (Broad Institute Гарварда и MIT) и Бенедикта Патена (UCSC). Геномные данные были получены двумя крупными консорциумами: проектом 10,000 Bird Genomes (B10K) (геномы птиц) и проектом Zoonomia (геномы млекопитающих).

Ученые годами планировали секвенирование и анализ геномов десятков тысяч животных. Соавтор Дэвид Хаусслер, директор Genomics Institute UCSC, в 2009 году помог инициировать проект Genome 10K. Среди связанных усилий — Vertebrate Genome Project и Earth BioGenome Project.

«Эти статьи смотрят в будущее, потому что разработанные нами методы позволят проводить выравнивания тысяч геномов. По мере удешевления и ускорения технологий секвенирования появляются сотни новых видов, что открывает новые возможности для понимания эволюционных связей и генетических основ биологии. В этих геномах содержится колоссальный объём информации», — сказал Патен.