|
Международный коллектив исследователей сообщил о прочтении генома серого короткохвостого опоссума Monodelphis domestica. Сравнение генома опоссума с геномами плацентарных (человека, мыши, крысы, собаки) показало, что ключевую роль в эволюции млекопитающих играли не изменения белок-кодирующих генов, а появление новых некодирующих последовательностей, выполняющих регуляторные функции. Значительная часть этих последовательностей сформировалась из фрагментов мобильных генетических элементов (транспозонов). Ученым впервые удалось показать, что возникновение эволюционных новшеств при участии транспозонов — не исключение, а правило.
Короткохвостый опоссум был выбран для геномных исследований неслучайно — это важный лабораторный объект, на котором изучают, в частности, регенерацию и формирование злокачественных опухолей. Прочтение генома опоссума имеет большое теоретическое значение, поскольку сумчатые — оптимальная «внешняя группа», необходимая для содержательного анализа прочтенных ранее геномов плацентарных — человека, шимпанзе, макака, собаки, мыши, крысы (см.: Геном макака резуса расскажет об эволюции человека, «Элементы», 19.04.2007).Геном опоссума несколько больше, чем у плацентарных (три с половиной миллиарда пар нуклеотидов против двух с половиной — трех миллиардов). Он состоит из 9 пар очень крупных неполовых хромосом (аутосом) и маленькой Х-хромосомы (у самок их две, у самцов — одна). Ученые отсеквенировали геном самки опоссума, поэтому про «мужскую» У-хромосому они никаких сведений не сообщают.
В геноме опоссума оказалось больше мобильных генетических элементов, чем у плацентарных (у опоссума МГЭ составляют 52,2% генома, у человека — 45,5%, у мыши — 40,9%, у собаки — 35,5%). Для сравнения, у курицы МГЭ составляют лишь 9,4% генома (о причинах этого см.: Малый размер птичьих геномов — наследие эпохи динозавров, «Элементы», 16.03.2007). Основные группы МГЭ у опоссума те же, что и у других четвероногих: это ретротранспозоны классов LINE, SINE и LTR, эндогенные ретровирусы, ДНК-овые транспозоны.
Различия в наборе белок-кодирующих генов между опоссумом и человеком оказались очень невелики. Подавляющее большинство генов опоссума имеют бесспорные человеческие аналоги, и наоборот. В частности, нашлись у опоссума и некоторые ключевые гены иммунной системы, которые ранее у сумчатых не удавалось обнаружить. Это означает, что, вопреки прежним представлениям, иммунная система сумчатых не так уж примитивна по сравнению с плацентарными.
Основные различия в наборе генов связаны с тем, что часть из них (15% генов в линии опоссума и 20% в линии человека) подверглись одной или нескольким дупликациям (удвоениям). В результате эти гены присутствуют у человека и опоссума в разном количестве немного различающихся между собой копий. В основном это гены «экологического» характера, отвечающие за взаимодействие со внешней средой: вкусовые, обонятельные и феромонные рецепторы, гены иммунной системы, пищеварительные ферменты, а также гены белков, отвечающих за обезвреживание токсичных веществ (например, цитохром P450).
Оказалось, что разные копии дуплицированного гена, присутствующие у одного и того же вида (опоссума или человека), различаются между собой по числу «значимых» (не синонимичных) нуклеотидных замен в среднем сильнее, чем гомологичные гены опоссума и человека, присутствующие у обоих видов в одном экземпляре. Это подтверждает имеющиеся гипотезы о механизмах возникновения новых генов в результате дупликаций. После удвоения гена его новая, «лишняя» копия либо приобретает новую функцию (конечно, чаще всего это лишь новая вариация старой, исходной функции), либо действительно оказывается «лишней», ненужной. В первом случае ген быстро накапливает «значимые» замены под действием отбора, во втором — не менее быстро деградирует, отключается (превращается в псевдоген) или вовсе теряется, выпадает из генома в результате делеции.
К удивлению исследователей, у опоссума оказались дуплицированными несколько генов, которые у других позвоночных не проявляют тенденции к дупликациям. Эти гены связаны с некоторыми специфическими механизмами генной регуляции, а именно с альтернативным сплайсингом, nonsense-mediated decay и метилированием ДНК (о первых двух механизмах см.: Сравнение геномов человека и мыши помогло обнаружить новый способ регуляции работы генов, «Элементы», 21.04.2007; о третьем — см.: Б. Ф. Ванюшин. Материализация эпигенетики, или Небольшие изменения с большими последствиями, Pdf, 180 Кб). Может быть, это означает, что у сумчатых развились какие-то необычные механизмы регуляции работы генов? Дальнейшие исследования должны пролить свет на этот вопрос.
Но в целом, как выяснилось, в белок-кодирующих областях геномов сумчатых и плацентарных за 180 миллионов лет, прошедших после разделения этих линий, возникло сравнительно мало эволюционных инноваций. По современным представлениям, ведущую роль в эволюции высших организмов должны были играть изменения регуляторных участков генома, которые сами не кодируют белков, но влияют на работу белок-кодирующих генов. Геном опоссума блестяще подтвердил эту теорию.
В настоящее время не существует надежных способов идентификации всех разнообразных функциональных некодирующих участков в отдельно взятом геноме. По последовательности нуклеотидов можно с уверенностью «опознать» лишь некоторые из них (отдельные промоторы и энхансеры, гены некоторых регуляторных РНК и т. д.). Все остальные функционально важные некодирующие участки выявляют путем сравнения нескольких разных геномов. Если какой-то некодирующий участок присутствует в более или менее похожем (узнаваемом) виде у разных организмов, значит он функционально важен и поддерживается отбором. В противном случае он бы быстро изменился до неузнаваемости в результате накопления мутаций. Такие общие для разных геномов некодирующие участки называют «консервативными некодирующими элементами» (conserved non-coding elements, CNE).
Сравнительный анализ CNE в геномах опоссума, плацентарных и курицы дал крайне интересные результаты. Исследователи условно подразделили все CNE на три группы: 1) общие для птиц и млекопитающих, 2) общие для плацентарных (независимо от того, есть ли они у опоссума и курицы), 3) уникальные для плацентарных (имеются у плацентарных, но отсутствуют у опоссума и курицы). Конечно, существуют и CNE, уникальные для сумчатых, но для их выявления нужно отсеквенировать геном хотя бы еще одного сумчатого зверя. Скоро прочтут геном кенгуру, а пока это не сделано, геном опоссума позволяет больше сказать об эволюции плацентарных, чем сумчатых.
Выяснилось, что если какой-то консервативный элемент есть у курицы и человека, то он почти наверняка есть и у опоссума, и наоборот: CNE, имеющиеся у курицы и опоссума, за очень редкими исключениями обнаруживаются и у человека. Это означает, что CNE первой группы (предположительно унаследованные зверями от общих предков с птицами) в большинстве своем кодируют очень важные функции, и их утрата неизменно оказывалась вредной и для сумчатых, и для плацентарных.
Общий размер СNE второй группы в человеческом геноме составляет 74 миллиона пар оснований (размеры отдельных CNE варьируют от нескольких десятков до сотен пар оснований). Из этих участков 20,5% оказались уникальными для плацентарных (входят также и в третью группу). Иными словами, 20,5% CNE плацентарных возникли уже после того, как разделились эволюционные линии плацентарных и сумчатых. Для сравнения, среди консервативных кодирующих участков плацентарных лишь 1,1% оказались уникальными для этой группы.
Эти результаты со всей очевидностью показывают, что в эволюции плацентарных подавляющее большинство инноваций было связано с появлением новых CNE. При помощи нескольких сложных тестов исследователи показали, что практически все новые CNE, появившиеся у плацентарных, скорее всего представляют собой важные функциональные элементы. Среди них, в частности, есть энхансеры (области прикрепления регуляторных белков — транскрипционных факторов) и гены микроРНК.
Большое количество (свыше 37 000) CNE третьей группы обнаружилось в окрестностях 240 генов, кодирующих ключевые регуляторы индивидуального развития (HOX-гены и иже с ними). Сами эти гены отличаются повышенной консервативностью — они очень похожи у плацентарных, опоссума и даже курицы, и не проявляют тенденции к редукции или дупликации. Похоже на то, что изменения в строении организма у плацентарных млекопитающих были обусловлены в основном добавлением новых регуляторов к генам — регуляторам онтогенеза.
Пожалуй, самый яркий результат исследователи получили в ходе изучения вопроса о происхождении CNE третьей группы. В принципе, новые CNE могут появляться тремя способами: 1) в результате изменения «до неузнаваемости» каких-то старых, предковых CNE, 2) в результате дупликации старых CNE и последующего накопления различий между копиями, 3) de novo, из последовательностей, которые у предков отсутствовали или были нефункциональными. Первый способ едва ли играл заметную роль, поскольку в этом случае приобретение каждого нового CNE должно было сопровождаться «потерей» старого, а старые CNE в эволюции млекопитающих почти не терялись, как видно из сравнения с курицей. Значит, большинство новых CNE появилось за счет второго и третьего способов.
Ранее было выявлено несколько случаев, когда в эволюции позвоночных новые CNE формировались из мобильных генетических элементов. Следует пояснить, что сама структура МГЭ делает их превосходными «заготовками» для создания новых регуляторных элементов в хозяйском геноме. МГЭ обычно имеют свои собственные регуляторные элементы (такие как промоторы и места прикрепления транспозаз — ферментов, осуществляющих перемещения МГЭ). Эти регуляторные элементы легко могут быть адаптированы для регуляции работы генов хозяйского генома.
Многие исследователи предполагали, что «приручение» МГЭ может быть важным источником эволюционных инноваций (см.: Древние млекопитающие заразились плацентой, «Элементы», 15.12.2005), но до сих пор не было достоверных количественных данных о частоте таких событий. Оставалось неясным, являются ли выявленные случаи удачного приручения транспозонов редкими исключениями или общим правилом. Теперь наконец можно с уверенностью сказать: это правило.
Исследователи установили, что в человеческом геноме как минимум 16% из числа CNE, уникальных для плацентарных, представляют собой участки мобильных элементов. Оказалось, что при создании новых CNE у плацентарных в ход пошли все основные группы ретротранспозонов (SINE, LINE, LTR) и ДНК-овых транспозонов. Вышеупомянутые 16% — это, несомненно, сильно заниженная оценка. Дело в том, что «прирученный», утративший подвижность транспозон в результате накопления мутаций становится неузнаваемым примерно за 100–200 миллионов лет. Сохранится (то есть станет «консервативным») лишь тот его фрагмент, который оказался полезен хозяйскому геному, но этого, скорее всего, будет недостаточно, чтобы распознать в таком CNE бывший транспозон. За время, прошедшее с момента обособления плацентарных, эта судьба должна была постигнуть значительную часть прирученных транспозонов.
На примере этого исследования можно видеть, что беспрецедентные усилия мирового научного сообщества по прочтению всё новых и новых геномов в конце концов, возможно, все-таки переведут наше понимание молекулярных механизмов эволюции на качественно новый уровень. Показательно, что каждый новый геном позволяет лучше понять другие геномы, прочтенные ранее.
