Геномный зоопарк

Сайт Наука в Сибири 11 апреля 2016 г.

За последние пятнадцать лет исследователям удалось секвенировать геномы тысяч вирусов и сотен животных и растений. Самое поразительное в этих открытиях — потрясающее разнообразие наследственного материала, который содержится в клетках организмов. Какие данные о животных пролили свет на происхождение человека и что нового можно узнать, сравнивая между собой геномы разных видов? На эти и другие вопросы ответил на открытой лекции в научном кафе "Эврика!" кандидат биологических наук, заведующий лабораторией сравнительной геномики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН, доцент Новосибирского государственного университета Владимир Александрович Трифонов.

— Мы в институте занимаемся поиском и изучением новой информации о геномах живых существ, конечно же, наши исследования идут в рамках общей парадигмы эволюционного дарвинизма и его продолжения — Синтетической теории эволюции, — начал своё выступление Трифонов. — Геном — это определённая инструкция, записанная в виде последовательностей нуклеотидов, о том, как построить все клетки, ткани и органы единого организма и как им в целом управлять.

В этом направлении науки исследователи постоянно находят неожиданные и удивительные факты. Например, у человека в одной клетке содержится около двух метров ДНК (три миллиарда нуклеотидных остатков). У животных геномы по размеру разные. Из позвоночных самый крупный — у двоякодышащих рыб (40 миллиардов пар нуклеотидов). А у амёбы Polychaos dubium — в 200 раз больше, чем у человека. Зачем таким простым и крошечным существам, как амеба, столь огромные совокупности наследственной информации? Пока загадка.

— Поражает отсутствие корреляции между размером генома и сложностью организма: особи могут быть похожими, одинаково себя вести, но при этом у них могут отличаться геномы по размеру в два раза. Почему так — до конца не ясно, — добавляет Трифонов.

— Вообще само по себе секвенирование — ещё далеко не финал, а скорее, самое начало исследования генома. В некоторых случаях понять полученные данные поможет только полная сборка (процесс объединения большого количества коротких фрагментов ДНК в одну или несколько длинных последовательностей) и аннотация (описание структурных и функциональных характеристик участков генома).

В качестве примера для понимания сложности расшифровки геномов с повторяющимися последовательностями учёный процитировал стихотворение Александра Шибаева:

— Зверёк-зверёк, куда бежишь?
Как звать тебя малышка?
— Бегу в КАМЫШ-КАМЫШ-КАМЫШ,
Я — МЫШКА-МЫШКА-МЫШКА.

На таком примере можно посмотреть различие работы с эукариотами (ядерными) и прокариотами (одноклеточными, не обладающими ядром): “Дело в том, что у эукариот огромное количество повторяющихся, избыточных последовательностей. Так же, как в стихотворении, дублирование слов (участков) необходимо, если хотим подчеркнуть экспрессию и выразить какие-то эмоции. Приблизительно то же самое происходит в геномах: у ядерных (к которым мы с вами тоже относимся) много повторённых последовательностей. Большая часть нашего генома — это многократно копированные участки, добавляющие нашему геному не только сложность, но и некоторые особые возможности”, — говорит Трифонов.

Если бы прокариоты решили написать в своих геномах такое стихотворение, у них, по мнению исследователя, всё было бы проще: “Зверь, куда бежишь? Как тебя звать? — Я мышь, бегу в камыш”.

— Здесь чётко и понятно. А эукариоты же применяют “фантазию”, чтобы сделать “речь” (то есть свой геном) более яркой и необычной.

Владимир Трифонов в своей лекции привёл несколько необычных фактов, доказывающих что геномы — вещь довольно увлекательная.

Человек

Первый геном среди сложных многоклеточных организмов был отсеквенирован именно у человека в 2001 году. В настоящий момент полученные в то время данные используются исследователями как точка отсчета для изучения строения геномов других организмов.

Международный консорциум учёных создал “Проект 1000 геномов”, который поставил своей задачей глубокое и полное исследование полиморфизма (многообразия) ДНК человека в различных популяциях.

Исследователи выяснили: Y-хромосома млекопитающих произошла всего 180 миллионов лет назад. Эта новорожденная хромосома у предка была почти точно такая же, как X, а впоследствии начала быстро дегенерировать, терять гены. Австралийская учёная Дженни Грейвс сделала вывод, что при такой скорости вырождения у людей и у других млекопитающих где-то через 5 миллионов лет Y-хромосома может исчезнуть.

— В научном сообществе было много разных конфликтов по этому поводу, — рассказал Трифонов. — Я присутствовал однажды на выступлении Грейвс и видел: во время её доклада люди сидели с выражением лица, будто они смотрят фильм Ларса фон Триера. Многие даже не могли дослушать до конца — и выбегали побледневшими из зала! Но дальнейшие изыскания биологов на других видах показали, что Y-хромосома после достижения определенной степени дегенерации просто “замедлила” свои процессы. Значит, сильный пол в ближайшие миллионы лет может не беспокоиться.

Приматы

Шимпанзе — наш “ближайший родственник”. Каждый белок человека и шимпанзе отличается примерно на две аминокислоты. С гориллой геномы тоже разнятся не сильно, ведь эта линия приматов выделилась всего 10 миллионов лет назад.

Орангутаны — также очень близки людям по гомологии ДНК. При исследовании этих человекообразных обезьян учёные обнаружили, что у них крайне медленная эволюция, и попытались найти ответ на вопрос, почему они чрезвычайно эргономичны — почти как ленивцы.

— Быстро прыгая по веткам, орангутаны расходуют намного меньше энергии, чем человек, сидящий на диване, — отмечает Владимир Трифонов. — Вообще человекообразные обезьяны изначально обладали большим видовым разнообразием. Но оно постепенно стало уменьшаться. Скорее всего, все перечисленные представители семейства гоминидов со временем вымрут. Человек — единственный вид человекообразных, продолжающий расширять свой ареал и размер популяции.

Макаки-резус имеют в среднем 93% гомологии с человеком. Биологи нашли у них много интересных замен в последовательностях ДНК. В том числе, описали отклонения, которые для макак не вредны. Но наличие подобных мутаций у человека вызывают патологии. Это заставило учёных говорить о компенсаторных мутациях: каждое отклонение является вредным и полезным только в контексте определённого генома.

Широконосые обезьяны из Нового Света от общего предка отделились 40 миллионов лет назад. У них есть интересный ген, связанный с рождением близнецов. У обычных обезьян в среднем за раз появляется по одному детёнышу, а у игрунок — всегда двойня. Причём плоды развиваются из разных зигот. Оказывается, это связано с мутацией в определенном гене. У человека сейчас исследуют данный участок ДНК, чтобы понять насколько он предрасполагает к рождению близнецов.

— Также интересно, что зародыши игрунок в утробе матери обмениваются стволовыми клетками! А впоследствии у взрослых особей наблюдается химеризм (наличие генетически разнородных клеток), — добавил Владимир Трифонов.

Грызуны

— Очень важно было расшифровать геном мыши, так как это, без сомнения, любимый всеми биологами объект. Выяснилось: в геномах грызунов случилось то же самое, что у гиббонов, только в 10 раз быстрее — произошла мощная перетасовка генетического материала на уровне хромосом (такого не было ни у рептилий, ни у амфибий, ни у птиц). “Взрыв” был настолько силён, что у некоторых животных утратилась Y-хромосома (именно то, о чем предупреждала Дженни Грейвс).

Другие млекопитающие

Утконос и ехидна когда-то давно произошли от общего предка. Они обладают рядом удивительных черт. К примеру, они откладывают яйца, но при этом выкармливают своих детёнышей молоком. Кроме того, у них есть яд, похожий на аналогичный у рептилий и содержащийся в роговых шпорах задних лап. Для человека он не смертелен, хоть и повлечет за собой недомогание на несколько дней, а, например, собака вообще может погибнуть. Исследования показали, что яд утконоса — это смесь трёх пептидов, возникших в результате репликации генов.

Рыбы

Долгое время считалось, что кистепёрые рыбы вымерли 75 миллионов лет назад. Биологи полагают: они относятся к древнейшей группе рыб, которые дали начало земноводным и первыми из позвоночных вышли на сушу. Но в 1938 году прошлого века были обнаружены современные представители кистепёрых. Морфологически эти рыбы не изменились — у них оказалась очень медленная скорость эволюции генов.

Тихоходки и коловратки

Тихоходки — микроскопические беспозвоночные, близкие к членистоногим. По-другому их ещё называют: маленькие водяные медведи. Они очень устойчивы к изменениям среды.

— Что только с ними не делали учёные: нагревали до 100 градусов, замораживали, облучали радиацией, высушивали так, что в них оставалось только 3% воды, — рассказал биолог. — Кроме того, их специально запускали в космос. Исследователи даже держали тихоходок 10 лет без пищи! И всё равно они выживали...

Оказалось, что одна шестая часть генома тихоходок состоит из «краденого» — когда животное восстанавливается после неблагоприятных периодов, оно берёт части геномов существ, находящихся рядом. Шесть тысяч генов тихоходки имеют инородное происхождение и получены от бактерий, растений и прочих организмов.

Бделлоидные коловратки — многоклеточные существа, похожие на червей. Интересно, что у них уже десятки миллионов лет нет полового размножения. С точки зрения синтетической теории эволюции они должны вымереть. Но коловратки живут за счёт горизонтального переноса генов, как тихоходки, встраивая в себя гены других организмов. Возможно, это заменяет им половой процесс.

Марина Москаленко

Фото: (1, 2) — Сергея Ковалёва, (3, 4) — из открытых источников