Всем миром: новые успехи проекта Геном 10К

Ранее мы уже сообщали о том, что международной группой ученых, в числе которых и новосибирские специалисты, было составлено новое эволюционное древо птиц. Подробнее о проекте рассказывает Полина Львовна Перельман, научный сотрудник отдела разнообразии и эволюции геномов (лаборатория цитогенетики животных) ИМКБ СО РАН, непосредственно принимавшая участие в данном исследовании.

– Полина Львовна, скажите, пожалуйста, как Вы попали в данный международный проект?

В нашем отделе разнообразия и эволюции геномов ИМКБ СО РАН мы проводим исследования путем сравнения геномов различных животных.

Сравнивая геномы, можно обнаружить интереснейшие закономерности и восстановить события, происходившие в ходе эволюции. Это направление получило название «сравнительная геномика».

Для приобретения нового опыта в данной области я проходила стажировку в лаборатории геномного разнообразия в Национальном институте рака (США). Доктор О`Брайен, заведующий лабораторией, как раз в то время задумал и запустил удивительный проект по секвенированию геномов 10 тысяч видов животных – Геном 10К (Genome10K). Он возглавил проект вместе с Дэвидом Хаслером (Университет Калифорнии, США) и Оливером Райдером (Генетическая лаборатория при Зоопарке Сан-Диего, США). Идея оказалась такой своевремнной и привлекательной, что к проекту тут же присоединились десятки ученых из разных стран, заинтересовнных в секвенировании геномов исследуемых ими организмов. Были созданы комитеты для выбора видов из каждого класса животных для секвенирования. Мы принимали активное участие на этом этапе.

Доктор О`Брайен, заведующий лабораторией в Национальном институте рака (США) задумал и запустил удивительный проект по секвенированию геномов 10 тысяч видов животных – Геном 10К В том числе проектом Геном 10К заинтересовался нейробиолог из Дьюкского Университета (США) Эрик Джарвис, изучающий биологические основы пения у птиц. В ходе работы он столкнулся с трудностями и пришел к выводу, что для более эффективного решения исследовательских задач ему необходимо навести порядок в систематике птиц, содержащей множество сомнительных вопросов, и получить данные геномов птиц, которые бы позволили не тратить время на секвенирование «по старинке», т.е. каждого гена по отдельности. Эрик Джарвис обратился в Геном 10К, и была создана группа по исследованию геномов птиц (The Avian Genome Consortium).

Лаборатория О`Брайена стала своего рода центром Генома10К, в котором проводились первые этапы подготовки многих образцов для сложного полногеномного секвенирования. Очень важно, чтобы образцы для секвенирования геномов были высочайшего качества и наверняка принадлежали к интересующему ученых виду. Для подтверждения сведений используют метод ДНК штрихкодирования по последовательностям митохондриальной ДНК. Эту часть работы мы выполняли в лаборатории доктора О`Брайена совместно с Эми Дрискел (Смитсоновский Институт, США). Нам удалось пополнить базу данных митохондриальных последовательностей в рамках еще одного международного проекта Штрихкод Жизни (Barcode of Life) последовательностями представителей основных отрядов птиц.

– В проекте были задействованы несколько рабочих групп, и у каждой из них было свое задание. На чем было сосредоточено Ваше исследование?

Вообще проект этот огромный. Только в нашей статье 104 соавтора. В целом вышел цикл из 28 статей в нескольких журналах: 8 в «Science» и еще 20 в «BMC Journals» и «Giga Science». В работе приняли участие более 200 ученых из 20 стран и более чем из 80 лабораторий. Основная работа по секвенированию была выполнена в Пекинском институте геномики под руководством Годжи Джанга. Оргомную роль в удачных научных результатах проекта сыграл осознаннный, продуманный до деталей выбор представителей класса птиц для секвенирования. Эрик Джарвис (Университет Дюка) и Том Гилберт из Музея Естественной Истории в Копенгагене проанализировали неоднозначные и противоречивые вопросы систематики птицы и составили список. Именно такой продуманный эволюционно-обоснованный подход отличает этот проект по секвенированию геномов птиц от других полногеномных проектов. Это первый шаг в направлении применения полногеномных данных для комплексного изучения биологического разнообразия и механизмов его возникновения.

Если помечтать, то, может быть, уже в недалеком будущем, благодаря усовершенствованию технологий секвенирования и только что разработанных биоинформатических методов анализа массивных данных ДНК, такие работы по филогеномике будут выполняться в качестве школьных заданий.

– Что, по Вашему мнению, является главным достижением проведенного исследования?

Одно из информационных достижений проекта – это, безусловно, база данных полногеномных последовательностей более 40 видов птиц. Это настоящая сокровищница для исследователей. Ведь еще год назад было опубликовано всего 6 геномов птиц! Очень важно, что в результате проекта имеются геномы представителей основных отрядов: теперь можно их использовать как отправную точку для дальнейших исследований класса птиц. Еще пару лет назад приходилось все данные сравнивать с геномом курицы (отсеквенирован в 2008 году), а ведь в классе 10 000 видов птиц, и многие из них в эволюционном плане достаточно удалены от последних.

Другим достижением является построение эволюционного древа птиц на уровне отрядов. Полногеномное секвенирование и сравнение позволило восстановить порядок появления основных отрядов птиц. Они появлялись очень быстро по меркам эволюции, так как в процессе вымирания динозавров высвобождались экологические ниши, которые и занимали новые виды птиц и млекопитающих. Это древо по многим аспектам отличается от того, что сейчас описано в учебниках. Выделены новые группы птиц, утвержден порядок разветвления у основания древа: самые древними являются отряды нелетающих птиц, куриных и гусеобразных. Древо откалибровано по палеонтологическим данным, показано время образования отрядов птиц.

Таким образом, с помощью полногеномных данных удалось навести порядок в систематике и филогении всего класса птиц. Хотя это исследование показало, сколько работы еще впереди: исследованы были только отряды, а существует еще масса неразрешенных вопросов на уровне семейств, родов, видов, подвидов, пород одомашненных птиц!

Еще одним важнейшим достижением проекта является создание биоинформатических алгоритмов для обработки полученных в ходе проекта беспрецедентного по протяженности массива последовательностей ДНК. Но геномы не просто были отсеквенированы: группы ученых провели анализ полученных данных по интересующих их вопросам биологии птиц. В результате было сделано множество важных открытий, например, описаны мутации в генах, которые привели к утрате зубов у предков современных птиц. Группа Эрика Джарвиса, получив в ходе проекта желанные геномы птиц, обладающих способностью к воспроизведению и запоминанию мелодий (попугаи, колибри, певчие птицы), обнаружила, что эволюция затрагивала схожие гены, отвечающие за пение у птиц и развитие речи у человека.

– Работа по изучению геномов птиц является приоритетным направлением Вашей научной деятельности или только частью?

В отделе разнообразия и эволюции геномов ИМКБ СО РАН мы занимаемся сравнительными исследованиями самых разных групп, в основном млекопитающих, но есть работы по птицам, рептилиям, сейчас активно ведется исследование геномов рыб. Несмотря на то, что уже достаточно большое количество геномов отсеквенировано, очень немногие из них доведены до этапа, когда известно какие последовательности находятся в конкретных физических носителях ДНК – хромосомах. Наши исследования ведутся в этом направлении.

 

Маргарита Артёменко