Масштабное сравнение геномов млекопитающих позволит точнее определить генетические причины многих заболеваний и лучше понять человеческую эволюцию.

Млекопитающие, или звери, похожи друг на друга — иначе их бы не объединили в класс млекопитающих. Они вскармливают детёнышей молоком, на теле у них растёт шерсть, у них очень острое обоняние и т. д., и т. п. При этом млекопитающие всё-таки очень разные: у кого-то шерсти много, у кого-то мало, у кого-то нос более чуткий, у кого-то менее, кто-то научился летать, кто-то научился жить в воде, а если ещё вспомнить про мозг, то на нас обрушится целая лавина исследований на тему того, как мозг человека стал таким большим и сложным.

(Фото: OltreCreativeAgency / Pixabay.com) 

Естественно, сходства и отличия зверей отражены в их генах. Сравнивая гены разных видов, можно узнать, как шла эволюция млекопитающих в целом и как шла эволюция отдельных видов. Но чтобы выводы из таких исследований были надёжными, сравнивать нужно как можно больше видов, относящихся к разным группам зверей. То есть у нас на руках должно быть много звериных геномов, прочитанных полностью. Первые полные геномы начали появляться в начале 2000-х — то были геномы человека, крысы, мыши и шимпанзе. Постепенно список пополнялся новыми видами, и вот сейчас в Science вышло целых одиннадцать статей со сравнительным анализом геномов 241 вида млекопитающих.

Эту титаническую работу выполнили исследователи международного проекта Зоономия (Zoonomia Project). Как и следовало ожидать, у зверей нашлись особо консервативные участки генома — мы говорим «участки генома», потому что среди них есть как обычные гены, кодирующие белки и РНК, так и регуляторные последовательности ДНК, от которых зависит активность генов. Консервативность означает, что участок ДНК почти не меняется в эволюции, он выглядит одинаково и у мыши, и у кита, и у человека. Если такие элементы посчитать поштучно, их выйдет более 4500. В человеческой ДНК консервативные «общезвериные» последовательности составляют около 10,7% генома. Они отвечают за базовые процессы, и очевидно, что какая-то доля консервативной ДНК млекопитающих будет очень похожа на консервативную ДНК птиц, амфибий, насекомых и даже одноклеточных — потому что всё это эукариоты, у них у всех клетка устроена одинаково, базовая биохимия одинакова, молекулярные механизмы считывания информации с ДНК и синтеза белка одинаковы тоже. Если же говорить о сугубо звериной генетической консервативности, то она касается эмбрионального развития, которое у млекопитающих выглядит иначе, чем у других животных. Ну, а наименее консервативные участки ДНК, как можно догадаться, регулируют иммунную систему и в целом связаны с адаптацией к конкретной экологической нише.

Сравнивая гены множества видов, удалось чётче определить геномные зоны, отвечающие за обоняние, развитие мозга, зимнюю спячку и т. д. — эти зоны лучше проявились в эволюционной динамике, то есть стало понятно, как они менялись от вида к виду. Что до эволюции зверей в целом, то обычно считается, что до вымирания динозавров они жили, так сказать, в подполье, и что взрыв разнообразия млекопитающих, активное освоение ими новых экологических ниш началось лишь после того, как динозавры исчезли. На самом деле, исследователи уже какое-то время говорят о том, что млекопитающие вполне активно осваивали землю ещё при динозаврах (об одной такой работе мы писали в конце прошлого года). Сравнение генов говорит о том же: разнообразие зверей начало расти до мел-палеогенового («динозаврового) вымирания, и было это связано, скорее всего, с континентальным дрейфом. Но, разумеется, исчезновение динозавров дало эволюции зверей дополнительный импульс.

Прослеживая историю того или иного гена среди разных видов млекопитающих, можно понять, как менялась его функция. Хотя человеческий геном прочли до конца, для очень многих генов до сих пор непонятно, что они делают и насколько разнообразны их обязанности. Эта проблема ощущается особенно остро, когда речь заходит о генетических причинах различных хронических заболеваний. Часто говорят, что какой-то ген связан с определённой болезнью, но как именно связан? И насколько от него зависит вероятность того, что человек заболеет? И вот здесь очень кстати может оказаться эволюционная история гена. Исследователи полагают, что благодаря проекту Зоономия можно будет на порядки сузить число «подозреваемых» генов, то есть мы сможем понять, какие гены действительно важны для той или иной болезни.

Что до человека как отдельного вида млекопитающих, то нужно смотреть не только на то, что есть у нас и чего нет у других, но и наоборот — учитывать и то, что есть у других и чего нет у нас. В одной из статей проекта говорится, что человек по ходу своей эволюции потерял около 10 000 кусочков генома. Кусочков самых разных, некоторые из них величиной всего в несколько генетических букв, но, так или иначе, их нет у всех людей, в то время как у большинства других зверей они есть. Разумеется, в человеческом геноме есть какие-то приобретения — в ДНК, доставшейся от предков, появлялись вставки, замены одних букв другими и т. д., и эти приобретения постепенно создавали человека. Но точно так же человека создавали и геномные потери. Тут нет ничего удивительного: «вычитание» нескольких букв может изменить регуляцию гена, так что он заработает иначе и, например, поможет мозгу увеличиться. Кстати, насчёт человеческого мозга у проекта Зоономия есть отдельная статья: её авторы пишут, что у предков человека геном определённым образом перестроился, и те зоны, которые управляют развитием мозга, получили возможность проявить себя. То есть дело не только в мутациях, которые напрямую попадают в «мозговые» гены, но и в упаковке собственно ДНК — белковая упаковка определённых областей ДНК отличается от того, как упакована ДНК у других зверей.

Полученные результаты, скорее всего, в будущем будут в той или иной степени корректировать. С одной стороны, среди 241 вида зверей, чьи геномы взяли для анализа, были представители самых разных групп, но, с другой стороны, вышло так, что среди них оказалось больше тех, что покрупнее, и тех, которые живут не в тропиках. Когда появятся новые звериные геномы, их неизбежно придётся учесть в общей эволюционной картине. Кроме того, Зоономия — только один из нескольких масштабных геномных проектов, связанных с животными. Например, есть проект, в рамках которого собираются прочесть и сравнить около 71 тыс. видов позвоночных. Когда эта титаническая задача будет решена, данные Зоономии окажутся в более широком геномном контексте, благодаря которому мы узнаем новые генетические подробности эволюции животных, зверей и человека.