Как развиваются хромосомы, чтобы создать новые формы жизни

Можно ли полностью закодировать в ДНК любое произвольное существо, такое как, например, дракон?

0 756

Трехмерная печать (3D-печать)  — это универсальный процесс в том смысле, что практически любая часть, которую можно нарисовать в программе CAD, может быть напечатана, по крайней мере, с определенным разрешением.

Обработка детали на фрезерном или токарном станке, имея преимущество большей точности и выбора материала, является немного менее универсальным процессом, поскольку многие возможные конструкции, которые существуют в теории, никогда не могут быть обработаны.

Полую сферу можно легко напечатать, но шар никогда не может быть измельчен как единая деталь в полую сферу — если только у вас нет фрезерного станка, достаточно маленького, чтобы поместиться внутри шара. Но как насчет биологических частей и целых животных? Насколько универсален рост с точки зрения конструкции?

Или насколько универсален генетический код с точки зрения его способности определять жизнеспособные «конструкции» тела?  Можно ли полностью закодировать в любое произвольное существо, такое как, например, дракон? Если да, то как могли бы выглядеть хромосомы и, кроме того, могли ли быть разные способы кодирования одного и того же организма?

К сожалению, самые близкие приближения, которые есть в летописи окаменелостей к дракону (вероятно, вымершему птерозавру или «ужасной птице» Бронторниса), не имеют легко поддающихся секвенированию геномов.

Тем не менее, у нас есть достаточно данных о последовательностях того, что может быть лучше всего, а именно об их пернатых потомках — птицах. Помимо исходной последовательности, что мы действительно хотим знать, так это то, как геномы меняются, чтобы развить новые формы. К настоящему времени хорошо известно, что простые мутации пар оснований или эпигенетические модификации могут точно настроить побочные эффекты второстепенных видов, такие как окраска, устойчивость к паразитам и адаптация окружающей среды, к температуре или высоте.

Однако реальные события видообразования, те нарушения, которые позволяют коду радикально отклониться от традиционного строения тела, обычно требуют более радикальной корректировки кариотипа.

Другими словами, любая в настоящее стабильная таблица хромосом должна быть в достаточной степени нарушена крупными разрывами, слияниями, инверсиями или дупликациями, чтобы вид мог разделиться.

Если они достаточно значительны, эти процессы могут вызвать потерю универсальной совместимости при спаривании, при которой все вновь созданное потомство не обязательно может успешно спариваться со всем другим новым потомством. В этом случае локальные события обратного скрещивания с родительскими геномами могли бы создать минимальный пул жизнеспособного потомства с новой видовой принадлежностью.

Для изучения эволюции геномов птиц курица оказалась бесценной. Из-за своих больших и легко добываемых яиц цыплята также являются отличной моделью для исследований развития. Одним из наиболее практических применений знаний о геноме цыплят является промышленное создание цыплят, которые могут быть легко разделены по полу и по цвету их оперения.

Чтобы не отстать, исследователи птичьего генома в Китае решили углубиться в геном утки, потому что, по их собственным словам, пекинская утка это удивительное блюдо. В своей недавней статье в журнале Gigascience исследователи из Чжэцзянского университета в Ханчжоу сообщают о новом картографировании всего генома утки и всех связанных с ним областей TAD.

Что касается птиц, то геном утки является промежуточным между геномом цыпленка, с одной стороны, и геномом эму — с другой. Что действительно имеет значение для эволюции кариотипов, так это секс. Другими словами, мелкие детали, скрывающиеся за происхождением крупных событий видообразования, как правило, вращаются вокруг особенностей половых хромосом.

Эти детали включают в себя, какие фрагменты аутосом сливаются при образовании новых половых хромосом, их относительные размеры по сравнению с их комплиментом, их количество, содержание псевдогена, области повтора и степень рекомбинации. В случае утки половые хромосомы не так сильно гетероморфны, как у курицы, и не так гомоморфны, как у эму.

Гаплоидный геном пекинской утки составляет около 1,4 Гб с кариотипом из девяти пар макрохромосом (chr1–chr8, chrZ/ChrW) и 31 пары микрохромосом (chr9–chr39). Эти характеристики сильно отличаются от характеристик большинства млекопитающих, но довольно типичны для птиц.

Небольшой общий размер генома, система определения пола Z/W и большое количество минихромосом также являются признаками, иногда встречающимися у других видов, таких как и, возможно, некоторые динозавры. Следует отметить, что птица и змея Z/W не связаны между собой, развившись из разных аутосом.

Система Z/W отличается от систем X/Y и X0, в которых сперматозоид обладает способностью определять пол. Плодное яйцо контролирует секс в системе Z/W, где самцы  (Z/Z) и самки heterogametic секс (Z/W).

Z-хромосома крупнее и имеет больше генов, чем W, подобно X-хромосоме в системе XY. Любопытно, что именно самцы птиц являются красочным, показным типом, в то как самки птиц часто более тусклые и крупные.

Поскольку нет общих генов между птичьими Z/W и млекопитающими X/Y хромосомами, обе системы, вероятно, имеют общего предка, от которого они независимо эволюционировали. Z-хромосома имеет черты, более репрезентативные для человеческой хромосомы 9, чем X или Y.

Получение более глубокого понимания того, как хромосомы эволюционируют, может повлечь за собой более пристальный взгляд на некоторые из наиболее экстремальных точек системы, таких как утконос. Это боброво-птичье млекопитающее имеет пять отдельных пар XY-хромосом и не имеет прямого отношения к бобрам или уткам. При мейозе мужских половых клеток половые хромосомы утконоса образуют цепочку, связанную между собой гомологичными областями, которая в конечном счете разделяется на XXXXX-сперматозоиды и YYYYY-сперматозоиды.

Самая птицеподобная пара в партии, которая имеет некоторый характер Z-хромосомы, появляется на противоположных концах цепочки. Дополнительные сегменты с меньшей гомологией Z разбросаны по хромосомам X3 и X5.

Из недавнего исследования геномов утконоса и ехидны исследователи смогли сделать вывод, что наша собственная Х-хромосома происходит от слияния исходной териевой Х-хромосомы с аутосомной областью после дивергенции от сумчатых. Как и у птиц, наши половые хромосомы были сформированы аналогичным образом путем постепенного подавления рекомбинации в аутосомах. Этот процесс привел к паттернам попарного расхождения последовательностей между областями определения пола, которые называются «эволюционными слоями».

Еще одна полезная критическая точка на ландшафте генома — это австралийская двоякодышащая рыба. Недавние исследования показывают, что его геном имеет длину более 43 миллиардов пар (в 14 раз больше, чем у человека), что делает его самым большим известным геномом. Многие хромосомы двоякодышащих рыб каждая в отдельности больше, чем весь наш собственный геном.

Существуют большие межгенные области и интроны с высоким содержанием повторов линейных элементов (≈90%), которые имеют больше сходства с таковыми у тетрапод, чем у лучеперых рыб. Похоже, что геном двоякодышащей все еще растет, продолжая расширяться в своих активных местах транспозиции элементов.

Поскольку план тела двоякодышащих рыб представляет собой важный переход для эволюции позвоночных, возможно, не удивительно, что их хромосомы несут с собой много дополнительного «сырья», несмотря на огромные накладные расходы во клеточного цикла и непомерную потребность в нуклеотидах.

Террестриализация двоякодышащих рыб включала новую экспрессию конечноподобных паттернов генов, таких как hoxc133 и sall1, в преадаптированных лопастных плавниках. Дублирование участков генов, кодирующих поверхностно-активные вещества, позволило облигатно дышать воздухом, в то как пролиферация генов обонятельных рецепторов позволила обнаружить одоранты.

Возвращаясь к первоначальному вопросу о том, насколько универсальным может быть процесс роста, а следовательно, и генетические коды для создания животных, полезно вспомнить концепцию обратимости.

В то как любой трехмерный нарисованный объект может быть напечатан, конкретный G-код, используемый для печати этого объекта, не может быть легко предсказан (G-код-это метонимически установленное название серии кодов «Go» для перемещения инструмента). Причина в том, что для создания одного и того же объекта можно использовать множество возможных кодов или путей.

Следовательно, она не взаимно однозначна и в этом смысле не обратима. Однако она обратима в том смысле, что каждый объект имеет по крайней мере один G-код, связанный с ним. Но не каждый возможный G-код имеет реальный объект, связанный с ним. Например, нельзя дважды положить пластик на одно и то же место или печатать в разреженном воздухе на Земле.

Можно было бы предположить, что почти все теоретические организмы или планы тела, которые можно было бы нарисовать на компьютере, никогда не могли бы быть закодированы в и выращены. Конечно, некоторые животные, которые никогда не появлялись в ископаемой летописи, могли бы эволюционировать в будущем, учитывая и ресурсы, но насколько они могут измениться на самом деле, прежде чем система остановится?

На верхнем пределе размеров все становится довольно скучным — либо гигантские китообразные цилиндры в море, либо неуклюжие и удивительно симметричные гиганты-четвероногие. Хотя время и ресурсы являются реальными ограничениями, самым большим ограничением, вероятно, является сам генетический код.


Jing Li et al. A new duck genome reveals conserved and convergently evolved chromosome architectures of birds and mammals, GigaScience (2021). DOI: 10.1093/gigascience/giaa142

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x