DNA 240 ssaków pokazuje, jak walczyć z rakiem lub zrozumieć ewolucję

pies i kot Łosoś i niedźwiedź brunatny. Krokodyl i wróbel. Karaluch i bieługa. Człowiek i rozgwiazda. Wszystkie te pary, a priori różne, są ze sobą powiązane. W rzeczywistości wszystkie są spokrewnione: mają wspólnego przodka, który żył gdzieś w ciągu ostatnich 3,7 miliarda lat, kiedy życie powstało na planecie Ziemia. Przodkowie ci przekazali swoje DNA, przepis, według którego tworzone są żywe istoty, swoim potomkom. Chociaż replikanci przeszli po drodze zmiany, z których powstały różne inne cechy, które z czasem przekształciły ich spadkobierców w różne inne istoty. Nowe typy. nowe rodziny. Ale nie wszystko stracone: w tym materiale genetycznym pozostał stabilny fragment; Część, która pozwoliła naukowcom prześledzić pochodzenie życia niemal od samego początku.

Teraz rozwinął się międzynarodowy zespół, zatrudniający 150 badaczy z 50 instytucji na całym świecie Projekt Zoonomy: baza danych zawierająca pełne genomy 240 różnych gatunków ssaków reprezentujących 80% gatunków zwierząt, do których zaliczamy siebie. Narzędzie porównawcze od mrówkojady do zebu, przechodzące przez człowieka i zmiany genetyczne, które zaszły w ciągu ostatnich 100 milionów lat.

W rezultacie magazyn w ten czwartekNaukipublikuje jedenaście różnych badań przeprowadzonych dzięki Project Zoonomia, które pokazują, co geny ujawniają na temat zdolności do hibernacji; w jaki sposób zagrożenie wyginięciem gatunku jest również wpisane w jego materiał genetyczny i jak może przyczynić się do jego zachowania; Albo fragment DNA, który dzielimy ze wszystkimi ssakami.

Geneza Projektu Zoonomia

„Główną ideą projektu było opracowanie i wykorzystanie tych danych, aby pomóc genetykom człowieka odkryć mutacje powodujące choroby” – powiedziała Kirsten Lindblad-Toh, dyrektor naukowy genomiki kręgowców w Broad Institute na MIT i Harvardzie, w wiadomościach konferencja. . którzy wraz z Elinor Carlson, dyrektorem oddziału Lindblad-Toah, są ostatecznymi koordynatorami i dyrektorami tego projektu.

Pierwszy krok do tej ogromnej bazy danych został zrobiony w 2006 roku, kiedy zsekwencjonowano genomy 29 ssaków. W 2020 roku kolekcja została powiększona do 120. Teraz stawka została podwojona, z 240 genomami i kolejnymi 120 genomami ssaków, których wcześniej nie zsekwencjonowano. Ponadto wszystkie zostały ustawione w szeregu, co jest zadaniem wymagającym obliczeniowo, aby naukowcy mogli je łatwiej porównywać. Innymi słowy, projekt Zoonomia zbiera „receptę genetyczną” dla 240 spokrewnionych z nami zwierząt, które odzwierciedlają 110 milionów lat ewolucji.

I nie tylko to: zorganizowali to tak, aby łatwiej było znaleźć część DNA, w której jest zapisana, na przykład, jak wieloryby przeżyły w morzu lub co spowodowało zwiększenie rozmiaru naszych mózgów. Ponadto, i to jest najbardziej interesująca część, są tajemnice, dlaczego rozwijają się pewne choroby, na które inne zwierzęta wydają się być odporne. Jednak nie jest to tak proste, jak otwarcie książki w poszukiwaniu odpowiedzi.

„Problem polega na tym, że musisz zinterpretować te dane. W tym miejscu pojawia się nasza praca”, wyjaśnia Irene Gallego-Romero, ekspert w dziedzinie genomiki ewolucyjnej człowieka na Uniwersytecie w Melbourne (Australia), która napisała artykuł w tym numerze „Science”, który przedstawia pięć z jedenastu opublikowanych badań z perspektywy – nawiązując do „ludzkiej” części projektu – przykład potencjału tego nowego narzędzia. „Jest to bardzo ciekawa praca, ponieważ pozwala np. prześledzić historię ewolucyjną nie tylko zwierzęcia, ale także konkretnego interesującego nas genu i prześledzić jego sekwencję u innych ssaków” — wyjaśnia Gallego-Romero. Podobnie jak w przypadku wszystkich ssaków, można również uzyskać informacje o ewolucji tej grupy na poziomie molekularnym, więc projekt Zoonomia ma zdecydowanie wiele potencjalnych zastosowań ”.

Jeden gen, by wszystkimi rządzić

Część genów, które dokładnie się nie zmieniają, to jedno z badań centralnych. Zespół kierowany przez Matthew Christmasa, naukowca z Uppsala University i Irene Kaplow, doktor habilitowany z Carnegie Mellon University, odkrył, że co najmniej 10 procent ludzkiego genomu jest wysoce konserwatywne u innych gatunków. A to oznacza, że dzielimy się nim z resztą.

Naukowcy odkryli, że te wspólne geny zmieniały się wolniej niż pozostałe losowe zmiany w genomie i są zaangażowane w rozwój embrionalny i regulację ekspresji RNA (geny, które mogą zakłócać np. replikację DNA, co z kolei prowadzi do konkretne represje). geny). Naukowcy zidentyfikowali również części genomu związane z niektórymi cechami rzadkimi w świecie ssaków, takimi jak większy rozmiar mózgu niż u innych rodzin, ostrzejszy zmysł węchu i zdolność do hibernacji podczas zimy.

Mając na uwadze ochronę różnorodności biologicznej, naukowcy odkryli, że ssaki z mniejszą liczbą zmian genetycznych w zachowanych miejscach w ich DNA są bardziej narażone na wyginięcie. Carlson i Lindblad Tuh, którzy również brali udział w badaniu, twierdzą, że nawet posiadanie jednego genomu referencyjnego na gatunek może pomóc naukowcom zidentyfikować zagrożone gatunki, ponieważ mniej niż 5 procent wszystkich gatunków ssaków ma dwa genomy. Odniesienie, jednak więcej pracy. potrzebnych do opracowania tych metod.

Co zwierzęce DNA mówi o ludzkich chorobach?

Jedną z najciekawszych części jest niewątpliwie ta, która odnosi się do zastosowań w zdrowiu człowieka. Biorąc pod uwagę te wspólne geny ssaków odkryte w poprzednim badaniu, zespół kierowany przez Patricka Sullivana, dyrektora Psychogenic Genomics Center na University of North Carolina School of Medicine, porównał je z wariantami genetycznymi, które naukowcy wcześniej powiązali z chorobami takimi jak rak. Dzięki innym metodom. Zespół stwierdził, że ich odkrycia są spójne, ale ujawniły również więcej powiązań między wariantami genetycznymi a ich funkcjami niż w innych systemach, a także nowe geny, które mogą być zaangażowane w rzadkie choroby.

„Niektóre wysoce ograniczone geny mogą wytwarzać białka, które są prawie identyczne u nas iu myszy” – wyjaśnia Sullivan. „To szaleństwo, ponieważ ewolucja człowieka i myszy trwa prawdopodobnie 60 milionów lat. Jednak to białko się nie zmieniło, więc dochodzimy do wniosku, że to białko robi coś naprawdę ważnego.” Inne badania opublikowane w czwartek wskazują na konkretne zmiany w organizacji ludzkiego genomu lub system „uczenia maszynowego”, który zidentyfikował regiony związane z rozmiarem mózgu.

Wyniki na tym się nie kończą: inny artykuł pokazuje, że ssaki zróżnicowały się przed masowym wyginięciem dinozaurów, 65 milionów lat temu, nurt teoretyczny, który przybrał na wadze w ostatnich latach, ponieważ tradycyjnie uważano, że nasi przodkowie nie prosperowali. Aż do zniknięcia tych gigantów. Jednym z najciekawszych dzieł jest historia ujawniona przez geny Balto, słynnego psa zaprzęgowego, który w 1925 r. nie husky syberyjski, jak sądzono, co wpłynęło na odporność na zimno.

„Jesteśmy bardzo podekscytowani sekwencjonowaniem gatunków ssaków” – powiedział Lindblad-Toh. „Jesteśmy podekscytowani widząc, jak my i inni badacze możemy pracować z tymi danymi w nowy sposób, aby zrozumieć ewolucję genomu i choroby człowieka”.