Ученые обнаружили, что геномы морских беспозвоночных были на удивление стабильны в течение длительного времени. Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, представляет собой всеобъемлющий анализ отдаленно связанных групп животных, включая губок, медуз, гребешков и беспозвоночных, и обнаруживает, что их хромосомы удивительно похожи.
Можно представить геном как инструкцию по эксплуатации, расположенную в каждой клетке и записанную кодом ДНК. Геном содержит всю унаследованную информацию для работы организма. Эта инструкция разделена на главы — хромосомы, а те, в свою очередь, подразделены на страницы — гены.
«С течением времени — и под этим я подразумеваю по крайней мере 550 миллионов лет — из-за случайных мутаций порядок генов в хромосомах сбивается, как перепутаны страницы в главе книги. И что еще более драматично, иногда мы обнаруживаем, что две хромосомы соединились и смешались, как если бы главы были слиты и перемешаны», — объяснил профессор Даниэль Рохсар, автор статьи и главный исследователь отдела молекулярной генетики Окинавского института науки и технологий (OIST) в Японии.
«Но в целом мы обнаружили замечательную стабильность. Несмотря на то, что последний общий предок этих трех групп жил более полумиллиарда лет назад, многие из их хромосом узнаваемо похожи в том смысле, что содержат одни и те же группы генов».
В исследовании сравнивались геномы видов из трех обширных групп — губок (очень простые животные без мышц и нервов), книдарий (особенно медуз и гидр) и билатерий (гребешки и амфиоксы). Эти геномы либо были секвенированы ранее, либо впервые были описаны в этом исследовании.
Хотя у многих из этих организмов ранее были секвенированы «черновые» версии их геномов, более ранние исследования не смогли изучить общую хромосомную организацию. Теперь, благодаря достижениям в области генетических технологий, исследователи могут собирать головоломки и сравнивать, как гены организованы в длинные нити. В этом исследовании впервые были реконструированы хромосомы гидры, значительно улучшены хромосомы амфиокса и проведен обширный сравнительный анализ.
Международная группа исследователей, в которую вошли ученые из OIST, Венского университета, Калифорнийского университета в Беркли, Ирвине и Санта-Крузе, Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Университетского колледжа Лондона, обнаружила поразительное сходство между хромосомами пять разных животных и подтвердили, что эти сходства также присутствуют в геномах других животных.
В некоторых случаях они выявили закономерности слияния хромосом, характерные для определенных подгрупп животных. Например, исследователи обнаружили четыре древних слияния, общие для гребешков и нескольких других моллюсков, которые также напоминали слияние в геноме морского червя.
«Мы видим, что гены могут находиться в одной и той же хромосоме у разных видов, но часто в разном порядке», — пояснил профессор Даниэль Рохсар.
«В редких случаях, когда две хромосомы сливаются вместе, а затем смешиваются, карабкаясь по вновь слитой хромосоме, это слияние невозможно отменить, и оно служит постоянным маркером эволюционной истории хромосомы. Это как перетасовать две колоды карт вместе. Мы можем продолжать их перемешивать, но они никогда больше не разделятся на две одинаковые колоды».
Когда современные животные разделяют одни и те же слияния, исследователи делают вывод, что слияния должны были произойти у древнего общего предка этих видов. Теперь они сделали несколько проверяемых предсказаний о геномах, которые еще предстоит секвенировать. Например, ученые предсказывают, что геномы всех моллюсков и связанных с ними «спиральных» животных должны демонстрировать определенный набор слияний, наблюдаемых у морских гребешков.
Эти результаты демонстрируют интересный парадокс.
«Млекопитающие существуют всего около 100 миллионов лет, — пояснил Даниэль Рохсар. «Но когда мы сравниваем геном двух млекопитающих, скажем, человека и мыши, хромосомы выглядят так, как будто они были разбиты на несколько сотен частей, а затем смешаны вместе. Характеристика сохранения хромосомного масштаба, которую мы обнаружили у беспозвоночных, просто не наблюдается у млекопитающих».
Он предположил, что хромосомы млекопитающих могли эволюционировать иначе, потому что исторически млекопитающие жили меньшими группами, чем большинство морских беспозвоночных. Небольшие группы способствуют сохранению случайных мутаций, поэтому хромосомные перестройки легче распространяются у млекопитающих.
Всего генетики идентифицировали 29 предковых сегментов хромосом. Кроме того, ученые обнаружили, что некоторые из этих сегментов существовали примерно за 800–900 миллионов лет до появления животных, когда все организмы были одноклеточными или очень простыми многоклеточными формами.
Таким образом, некоторые гены путешествовали вместе почти миллиард лет, однако причины этих древних связей между генами остаются загадкой.