Захват интронов: Нацеливание на быстро эволюционирующие участки генома для филогенетики

Понимание эволюционной истории организмов важно по множеству причин. Оно помогает классифицировать биоразнообразие, формировать природоохранную политику, отслеживать распространение патогенов и даже способствует открытию новых лекарств.

Ученые изображают родственные связи между видами с помощью эволюционных деревьев (филогений). Анализ сходств и различий в последовательностях ДНК позволяет вывести степень родства. Однако ДНК близкородственных видов может быть настолько похожей, что установить их отношения невозможно.

Разные участки ДНК эволюционируют с разной скоростью. Кодирующие белки экзоны меняются относительно медленно. Интроны — некодирующие части генов — эволюционируют гораздо быстрее и потенциально полезны для разрешения эволюционных связей между близкородственными видами.

«Для исследователей, использующих геномные последовательности ДНК, существовал значительный пробел в понимании эволюции видовых комплексов, — говорит Райан Фолк, ведущий автор исследования в Applications in Plant Sciences. — В этих группах границы между видами часто размыты, что затрудняет точное определение родства».

Фолк и его коллеги из Университета штата Огайо и Мемфисского университета разработали метод захвата быстро эволюционирующих интронных участков генома.

Новый метод использует общедоступные геномные данные для поиска быстро меняющихся регионов. На основе этих последовательностей создаются биотинилированные зонды, которые химически «захватывают» гены, содержащие интроны, из генома изучаемого вида. Остальная ДНК из образца просто отмывается.

«Предыдущие исследования с использованием аналогичных методов были сосредоточены в основном на медленно эволюционирующих регионах, таких как экзоны, из-за опасений по поводу успеха захвата, — объясняет Фолк. — Проблема в этом — напрасные усилия по секвенированию ДНК. Данные хороши, но из-за гораздо более низкой скорости мутаций необходимо увеличивать объем целевых данных, чтобы получить эквивалентное количество доказательств эволюционных связей».

Разработанный протокол оказался более успешным, чем ожидалось.

«Когда мы разрабатывали этот проект, мы действительно не знали, насколько хорошо будет работать нацеливание на интроны. Успех захвата участка ДНК зависит от сходства последовательности между неизвестным образцом и известной "мишенью" от близкого родственника. Конечно, для быстро эволюционирующего региона мишень будет менее похожа на последовательность нового образца, что увеличивает риск неудачи эксперимента. Но наши результаты показывают, что секвенировать интроны было не сложнее, чем более часто используемые экзоны».

Метод был протестирован на недавней быстрой радиации растений группы Heuchera. С помощью секвенирования нового поколения было нацелено и секвенировано более 270 маркеров ДНК. Команда обнаружила, что скорость мутаций в интронах в четыре раза выше, чем в экзонах. Это позволило с уверенностью определить эволюционные связи между очень близкородственными таксонами, что ранее в этой группе было невозможно. Кроме того, были собраны полные геномы органелл (пластид и митохондрий) для одного вида.

«Хотя на вопросы, связанные с видовыми комплексами, часто трудно ответить, они иногда самые интересные, поскольку представляют недавнее или продолжающееся образование новых видов. Мы надеемся, что наш новый метод нацеливания на интронные регионы предоставит ученым ценный инструмент для решения вопросов в этих сложных группах».