В исследовании, опубликованном на этой неделе на Слушаниях Национальной академии наук, исследователи возвратились вовремя, по крайней мере фактически, в вычислительном отношении воссоздав хромосомы первого eutherian млекопитающего, длинно-потухшего, подобного землеройке предка всех плацентарных млекопитающих.«Революция в упорядочивающей ДНК предоставила нам достаточно собраний генома масштаба хромосомы, чтобы разрешить вычислительную реконструкцию eutherian предка, а также других ключевых предков вдоль происхождения, приводящего к современным людям», сказал Харрис Льюин, ведущий автор исследования и преподаватель эволюции и экологии и Роберта и Розэбеля Осборна Эндауэда Чэра в Калифорнийском университете, Дэвиса.
«Мы теперь понимаем главные шаги хромосомной эволюции, которая привела в организацию генома больше чем половины существующих заказов млекопитающих. Эти исследования позволят нам определять роль перестановок хромосомы в формировании новых видов млекопитающих и как такие перестановки приводят к адаптивным изменениям, которые характерны для различных происхождений млекопитающих», сказал Льюин.Результаты также имеют широкие последствия для понимания, как хромосомные перестановки более чем миллионы лет могут способствовать человеческим болезням, таким как рак.«Получая лучшее понимание отношений между эволюционными контрольными точками и контрольными точками рака, существенные молекулярные особенности хромосом, которые приводят к их нестабильности, могут быть показаны», сказал Льюин. «Наши исследования могут быть расширены на раннюю диагностику рака, определив диагностические перестановки хромосомы в людях и других животных, и возможно новых целях персонализированной терапии».
Хромосомы DescramblingЧтобы воссоздать хромосомы этих древних родственников, команда начала с упорядоченных геномов 19 существующих плацентарных млекопитающих – всех eutherian потомков – включая человека, козу, собаку, орангутана, коров, мышь и шимпанзе, среди других.
Исследователи тогда использовали новый алгоритм, они развивали названный DESCHRAMBLER. Алгоритм вычислил («descrambled») наиболее вероятный заказ и ориентацию 2 404 фрагментов хромосомы, которые были распространены среди геномов 19 плацентарных млекопитающих.
«Это является самым большим и самым всесторонним такой анализ, выполненный до настоящего времени, и DESCHRAMBLER, как показывали, произвел очень точные реконструкции, используя моделирование данных и определяя эффективность его против других инструментов реконструкции», сказал Цзянь Ма, co-ведущий-автор исследования и адъюнкт-профессор вычислительной биологии в Университете Карнеги-Меллон в Питтсбурге.В дополнение к eutherian предку реконструкции были сделаны для шести других наследственных геномов на человеческом эволюционном дереве: boreoeutherian, euarchontoglires, человекообразная обезьяна (приматы), catarrhini (обезьяны Старого Света), человекообразные обезьяны и человеческий шимпанзе.
Реконструкции дают подробную картину различных хромосомных изменений – перемещений, инверсий, расщеплений и других сложных перестановок – которые произошли за эти 105 миллионов лет между первым млекопитающим и Человеком разумным.Темпы эволюции варьируютсяОдно открытие – то, что у первого eutherian предка, вероятно, было 42 хромосомы, четыре меньше, чем люди.
Исследователи определили 162 хромосомных контрольных точки – местоположения, где хромосома раскрыла, допуская перестановки – между eutherian предком и формированием людей как разновидность.Темпы эволюции наследственных хромосом отличались значительно среди различных происхождений млекопитающего.
Но некоторые хромосомы оставались чрезвычайно стабильными со временем. Например, шесть из восстановленных eutherian наследственных хромосом не показали перестановок в течение почти 100 миллионов лет до появления общего предка человека и шимпанзе.Хромосомы орангутана, как находили, были самым медленным развитием всех приматов и все еще сохранили восемь хромосом, которые не изменились очень относительно генной ориентации заказа по сравнению с eutherian предком.
Напротив, у происхождения, приводящего к шимпанзе, был самый высокий уровень перестановок хромосомы среди приматов.«Когда хромосомы перестраивают, новые гены и регулирующие элементы могут сформироваться, которые изменяют регулирование выражения сотен генов, или больше. По крайней мере, некоторые из этих событий могут быть ответственны за главные фенотипичные различия, которые мы наблюдаем между заказами млекопитающего», сказал Денис Ларкин, co-ведущий-автор исследования и читатель в сравнительной геномике в Королевском Ветеринарном Колледже в Лондонском университете.
Хромосомы самых старых трех предков (eutherian, boreoeutherian, и euarchontoglires), как каждый находили, включали больше чем 80 процентов всей длины генома человека, сообщили самые подробные реконструкции до настоящего времени. Восстановленные хромосомы нового общего предка человекообразных обезьян, catarrhini, человекообразных обезьян, и людей и шимпанзе включали больше чем 90 процентов последовательности генома человека, служа структурной основой для понимания эволюции примата.